İlk olarak lazer kelimesinin kökünden yola çıkalım. Lazer kelimesi aslen " LASER" olup " Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation" cümlesindeki kelimelerin baş haflerinden oluşan bir cümledir.
Lazer'in ne olduğunu anlamak adına bu cümleyi izah edelim. Burdaki " Light Amplification " aynı miktar ışıktan daha yüksek miktar elde etmek demektir. Aynı ses yükselticilerinin ( audio amplifier )sesi alıp daha yüksek hale getirmesinde olduğu gibi.
Bu LASER 'i oluşturan cümledeki "stimulated emission" ın bilim adamları için çok özel bir anlamı vardır. Bu fiziksel bir işlemle ışığın yaratılma işlemini gerçekleştirmek demektir. Bu durumu anlamak için "atomlar" hakkında somut gerçeklere sahip olmak gerekir. Bilmemiz gereken atomların nukleus denen bir çekirdek etrafında dönen elektronlardan oluştuğunu bilmek gerekir. Bu elektronlar normal olarak düşük enerjili yörüngede otururlar ki buna "ground state" denir. Eğer ki bu elektronlara daha fazla enerji verilirse daha yüksek enerjili bir yörüngede oturmayı tercih ederler ki buna "excited state" denir.
Kuantum fiziğinin açıklayabildiği çeşitli sebeplerden ötürü bu elektronlar ancak çok özel yörüngelerde oturabilirler. Bu özel yörüngeler kullanılan elementin özellikleri tarafından belirlenir , böylece genel olarak değiştirilemezler. Örnek vermek gerekirse , altın elementinin tek sıra yörüngesi vardır. Oksijen ve diğeri sodyum olarak. Ve bu ikisi de birbirinden çok farklıdır ve yapmak istediğimiz iş için sadece bir kısmı faydalıdır.
Bir elektron şekilde gözüktüğü gibi daha yüksek bir yörüngede yani "excited state" de ise "ground state" e dönmek ister ki buna "çökme" denir. Bunu yapmak içinse önce enerjisini salıvermesi gerekir ve genellikle bir adet fotonunu vermesi ile gerçekleşir. Buna başka bir deyişle "ışın yayılması" denir. Bir elektronu daha yüksek bir duruma getirmek için aynı işlem ters olarak meydana gelir. Bir elektron kendini daha yüksek bir seviye yörüngeye taşımak için bir foton soğurur. Bunun olması için bu fotonun içindeki enerjinin elektronun o orbite çıkmasını sağlayacak değerle eşleşmesi gerekir. Eğer geçiş fotonunun yanlış bir miktar enerjisi varsa hiçbir şey olmaz. Daha önce de belirttiğimiz gibi gereken miktarkullanılan materyalin tipine bağlıdır.
Bir elektron daha yüksek bir durumda yörüngesinde otururken orada bir süre kalır ve sonra doğal olarak "ground state" 'e çökelir. Buna uyarımlı yayılımdan (stimulated emission) çok yayılım (emission) denir. Ne zaman aynı frekansta bir foton geçse bu foton elektronu o noktada çökelmesi için uyarır. Bunu yapmak için bu fotona tıpatıp benzeyen başka bir foton üretir. İşte buna uyarımlı yayılım ( stimulated emission ) denir.
Bir fotonun frekansı ya da rengi ona ne kadar enerji verildiğinden bağımsızdır. Böylece bütün fotonlara aynı enerji verildiğinde hepsi aynı renktedirler. Bu belirli bir materyal için , bu olay ne zaman bir atomun başına gelse bütün hepsi aynı ışığı yayıverir. Hernekadar elektronlar daha yüksek bir duruma uyarılsa ve düşme kazanımı gerçekleşse de bu durum doğal olarak oluşmaz. En azından kayda değer bir sıklıkta oluşmaz. Bu yüzden bunun olmasına ihtiyacımız var.
Pratik Laser'lerin çalışması şu şekildedir :
Öncelikle elektronları daha yüksek bir yörüngeye iteriz ki buna pompalama denir. Bu çeşitli yollarla yapılabilir fakat ortak olarak atomları ışıkla bombalayarak elektronları kaldırması sağlanır. Çoğu durumda elektron kararsız durumdadır ve hızlıca daha düşük duruma hareket edecektir. Amacımız için elektrona yarı kararlı durumda ihtiyacımız vardır. Yarı-kararlının anlamı , elektronun "ground state" durumuna gelmeden önce bir süre oyalanması demektir.
Laser materyalinin kullanışlı enerji için yarı-kararlı durumda olması gerekir. Laser materyali biz elektronu pompalamamızdan çok kısa bir zaman sonra yüksek enerjili duruma geçer ve belli belirsiz bir şekilde daha düşük ve yarı-kararlı duruma geçer. Şimdi etrafta doğru miktar enerjiyle dolaşan bir çok elektrona sahibiz. Bu elektronlar bir foton formunda enerjisini vererek yayılımlanmayı beklerler.
Bunun için gereken şey elektronlardan birinin düşük enerji konumuna geçip bir foton yaymasıdır. Bu bir çığ etkisi yaratacaktır. Bu foton yarı-kararlı durumdayken ne zaman başka bir elektron tarafından geçilse o elektronu düşük enerji konumuna geçmesi ve başka bir foton yayması için uyarır.
Şimdi 2 fotona sahibiz. Bu fotonlardan her biri 2 yeni elektronun yayılım yapması için uyarabilir. böylece 4 fotona sahip olmuş oluruz. Bu şekilde çok büyük bir miktar fotona sahip oluruz. İşte bu sürece "stimulated emission" yani "uyarımlı yayılma" denir. Çünkü burda fotonlar başka fotonların yayımlanması için elektronları uyarır.
Fotonların varolmak için birbirini uyarması işleminin şeklinden ötürü hepsinin rengi aynıdır. Ve hepsi birbirine ayak uydurur. bu şekilde birbiriyle uyum içinde hareket eden bir foton ordusuna sahip oluruz ki bunu doğada bulamazsınız.
Bu noktada bütün fotonlar materyali ortadan kaldırırsa bu çok iyi olmaz. Elektronları pompalamaya devam etmek zorundayız ki fotonları yaymaya devam edebilsinler ve fotonları geri ve ileriye doğru sıkıştırarak daha fazlasının çıkması için uyaralım.
Bunu yapmak için materyalin iki ucuna birer ayna koyarız ki buna "laser medyum" denir. Bu "laser kavitesi" denen şeyi yaratır. Ayna ışığı ileri ve geri yansıtır ve her gidiş-dönüş turunda daha ve daha fazla foton ortaya çıkar. Bu yeni yaratılan laser ışığının faydalı olailmesi için dışarı çıkmasına izin verilmelidir. Böylece aynalardan biri herşeyi yansıtmaz bunun yerine ışığın sadece küçük bir miktarının dışarı çıkmasına izin verir. İşte bu bizim laser ışınımızdır. "laser beam"