Το ενεργό μέσο μπορεί να είναι κάποια συλλογή ατόμων, μορίων ή ιόντων κάποιου αερίου υγρού ή στερεού, Ας θεωρήσουμε το διπλανό ενεργειακό διάγραμμα. και ας εξετάσουμε τις διαδικασίες απορρόφησης και εκπομπής που συμβαίνουν στο σύνολο των ατόμων του αερίου προτύπου μας.

Τα άτομα αυτά χαρακτηρίζονται από δύο ενεργειακές στάθμες^. τη βασική μη διεγερμένη στάθμη Ε₀ και την μοναδική διεγερμένη στάθμη Ε₁, οι οποίες απέχουν μεταξύ τους απόσταση που αντιστοιχεί σε ενέργεια Ε₁₀ = Ε₁ – Ε₀ ή σε συχνότητα (όπου h η σταθερά του Planck). Όταν ηλεκτρομαγνητικό κύμα συχνότητας ν₁₀ περάσει μέσα στο σύστημα, άτομα της στάθμης Ε₀ απορροφούν ενέργεια και ανεβαίνουν στη στάθμη Ε₁. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εξαναγκασμένη απορρόφηση ή απλά απορρόφηση.

Ας δούμε τώρα τι συμβαίνει μα τα άτομα στη στάθμη Ε₁. Παράλληλα με τη διαδικασία απορρόφησης δρα και μία διαδικασία εκπομπής. Και μάλιστα, δρα γρήγορα και ξαναγεμίζει τη στάθμη Ε₀ με άτομα. Η διαδικασία αυτή της επιστροφής των διεγερμένων ατόμων στη στάθμη Ε₀ μπορεί να γίνει κατά δύο τρόπους. Είτε αυθόρμητα, είτε εξαναγκασμένα. Κατά την διαδικασία της εξαναγκασμένης εκπομπής, τελικά προστίθεται ενέργεια στο εξαναγκάζον κύμα. Δηλαδή στο φωτόνιο που προκαλεί την εκπομπή έρχεται να προστεθεί ένα δεύτερο φωτόνιο του ίδιου μήκους κύματος και της ίδιας φάσης με το αρχικό. Αυτό συμβαίνει επειδή τα άτομα που εκπέμπουν ακτινοβολία με την διαδικασία της αυθόρμητης εκπομπής, εκπέμπουν σε τυχαίες χρονικές στιγμές, ενώ τα άτομα που εκπέμπουν ύστερα από εξαναγκασμό εκπέμπουν σε φάση με την εξαναγκάζουσα ακτινοβολία.

Αναστροφή πληθυσμών και διαδικασία άντλησης

Ο μόνος τρόπος για να έχουμε N_j > N_i ( όπου N_j – N_i η διαφορά πληθυσμών δύο τυχαίων ενεργειακών σταθμών Ε_I και Ε_j ) είναι να εξωθήσουμε τα άτομα του ενεργού υλικού σε κατάσταση μη θερμικής ισορροπίας χρησιμοποιώντας μία εξωτερική πηγή ενέργειας. Η διεργασία με την οποία τα άτομα διεγείρονται ή αντλούνται κι εξωθούνται σε κατάσταση μη θερμικής ισορροπίας ονομάζεται διαδικασία άντλησης, η δε κατάσταση N_j > N_i ονομάζεται αναστροφή πληθυσμών.

Η αναστροφή πληθυσμών έχει ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της φωτεινής ακτινοβολίας με τη διαδικασία της εξαναγκασμένης εκπομπής.

Οπτικά αντηχεία

Στα περισσότερα Laser η ακτίνα ταξιδεύει και παλινδρομεί πολλές φοpές μέσα στο ενεργό υλικό χάρη σ ένα ζευγάρι κάτοπτρα που τοποθετούνται κάθετα στον οπτικό άξονα του Laser Με ένα τέτοιο σύστημα κατόπτρων το ενεργό φαινομενικό μήκος του ενισχυτικού μέσου πολλαπλασιάζεται. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι ένα Laser με ένα κάτοπτρο ανακλαστικότητας 100% στο ένα άκρο του και ένα κάτοπτρο ανακλαστικότητας 98% στο άλλο άκρο του, έχει ένα φαινομενικό μήκος 50 φορές το πραγματικό του. Το σύστημα αυτό των δύο κατόπτρων^. ενός ολικά και ενός μερικά ανακλαστικού, αποτελεί το σύστημα οπτικής ανατροφοδότησης του Laser και σε πολλές περιπτώσεις τον επιλογέα συχνότητας λειτουργίας του.