Phénomènes mis en jeu[modifier]
Pour comprendre comment fonctionne un laser, il est nécessaire d'introduire le concept de quantification de la matière : les électrons sont répartis sur des niveaux d'énergie discrets (les « couches »). Cette hypothèse est fondamentale et non intuitive : si l'on considère l'image selon laquelle les électrons ne peuvent se trouver que sur certaines orbitales bien précises autour du ou des noyaux atomiques.
Dans la suite, on considérera un atome ne possédant qu'un électron (hydrogène), pour simplifier la discussion. Celui-ci est susceptible de se trouver sur plusieurs niveaux. La connaissance du niveau sur lequel se trouve cet électron définit l'état de l'atome. Ces états sont numérotés par ordre croissant d'énergie avec un nombre entier , pouvant prendre les valeurs , , ... L'état est donc l'état d'énergie la plus basse, correspondant à un électron sur l'orbitale la plus proche du noyau.
Venons-en aux principaux processus d'interaction entre la lumière et la matière, à savoir l'absorption, l'émission stimulée et l'émission spontanée.
L’absorption — Lorsqu'il est éclairé par un rayonnement électromagnétique (la lumière), un atome peut passer d'un état à un état , en prélevant l'énergie correspondante sur le rayonnement. Ce processus est résonnant : la fréquence du rayonnement doit être proche d'une fréquence de Bohr atomique pour qu'il puisse se produire. Les fréquences de Bohr atomiques sont définies par , où sont les énergies des états et . On peut interpréter ce processus comme l'absorption d'un photon du rayonnement (d'énergie ) faisant passer l'atome du niveau d'énergie vers le niveau d'énergie . La condition de résonance correspond alors à la conservation de l'énergie.

Le phénomène d'absorption. Le photon d'énergie fait passer l'atome de son état fondamental 1 vers l'état excité 2
L’émission stimulée — Un atome dans l'état peut se « désexciter » vers le niveau sous l'effet d'une onde électromagnétique, qui sera