La cavité laser, ou résonateur, est au cœur du système. Un seul transit à travers une collection d'atomes ou de molécules excités est suffisant pour déclencher l'action laser dans certains dispositifs à gain élevé tels que les laser pointeur boutique à excimères; Cependant, pour la plupart des lasers, il est nécessaire d'améliorer encore le gain avec de multiples passes à travers le milieu laser. Ceci est mis en oeuvre le long d'un axe optique défini par un ensemble de miroirs de cavité qui produisent une rétroaction. Le milieu laser (un cristal, un semi-conducteur ou un gaz enfermé dans une structure de confinement appropriée) est placé le long de l'axe optique du résonateur. Cet axe unique avec un gain optique très élevé devient également la direction de propagation du faisceau laser. Un exemple un peu différent d'un axe de gain unique (et flexible!) Est le laser à fibre.

La cavité la plus simple est définie par deux miroirs face à face - un réflecteur total et un réflecteur partiel dont la réflectance peut varier entre 30 et près de 100 pour cent. La lumière rebondit d'avant en arrière entre ces miroirs, gagnant de l'intensité à chaque passage à travers le milieu de gain. Les photons qui sont spontanément émis dans des directions autres que l'axe sont tout simplement perdus et ne contribuent pas à l'opération laser. Lorsque la lumière laser est amplifiée, une partie de la lumière s'échappe de la cavité, ou oscillateur, à travers le réflecteur partiel (coupleur de sortie); Cependant, à l'équilibre (ce que l'on appelle l'état stationnaire ou l'onde continue), ces «pertes optiques» sont parfaitement compensées par le gain optique observé lors de l'aller-retour successif des photons à l'intérieur de la cavité. La sortie du laser est exactement la partie du faisceau transmis par le coupleur de sortie. Dans un gant lumineux idéal, tous les photons du faisceau de sortie sont identiques, ce qui donne une direction et une monochromaticité parfaites. Ceci détermine la cohérence et la luminosité uniques d'une source laser.

Monochromaticity - L'énergie d'un photon détermine sa longueur d'onde à travers la relation E = hc / λ, où h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière et λ est la longueur d'onde. Un laser idéal émet tous les photons avec exactement la même énergie, et donc la même longueur d'onde, et il serait parfaitement monochromatique. De nombreuses applications dépendent de la monochromaticité. Par exemple, dans les télécommunications, plusieurs lasers à des longueurs d'onde légèrement décalées peuvent transmettre en parallèle des flux d'impulsions vers le bas de la même fibre optique sans diaphonie. Les lasers réels ne sont pas parfaitement monochromatiques car plusieurs mécanismes d'élargissement élargissent la fréquence (et l'énergie) des photons émis. Par exemple, les lasers YAG à fonctionnement libre peuvent avoir des largeurs de lignes de centaines de gigahertz, tandis que les lasers YAG stabilisés à diode peuvent avoir une largeur de ligne <1 kHz. Le plus connu de ces mécanismes d'élargissement est l'élargissement Doppler, déterminé par la répartition des vitesses dans la collection des atomes constituant des milieux gazeux actifs.

Cohérence - En plus de partager la même longueur d'onde, les photons qui forment un faisceau laser bleu 10000mW sont tous en phase (figure 3), ou «cohérents», résultant en un champ électrique qui se propage avec un front d'onde uniforme. La représentation idéale est une onde plane qui se propage avec un front d'onde plat le long d'une direction donnée et où chaque plan perpendiculaire à cette direction connaît la même amplitude et phase de champ électrique et magnétique à un moment donné. Lorsque deux ondes avec de telles caractéristiques interagissent, elles créent des profils d'interférence, comme dans l'expérience de Young. Les faisceaux laser réels dévient quelque peu de ce comportement idéal, mais ils sont encore les sources qui se rapprochent le mieux d'une onde plane cohérente idéale, et ils permettent une multitude d'applications qui dépendent de l'interférence optique. Par exemple, la surface des lentilles de précision et des miroirs est mesurée à l'aide d'interféromètres laser, de même que les variations minutieuses des profils d'interférence des interféromètres de miles de long utilisés pour chasser et détecter les ondes gravitationnelles.

Luminosité (ou, plus exactement, éclat) - La différence la plus frappante entre les commander allume feux très puissant et les sources lumineuses conventionnelles est que toute la lumière émise se déplace dans la même direction qu'un faisceau intense. Radiance est définie comme la quantité de lumière sortant de la source par unité de surface et unité d'angle solide. Une étoile comme le soleil émet une grande quantité de rayonnement d'une unité de surface, mais cela est émis dans de nombreuses directions différentes. Au contraire, un faisceau laser est fortement directionnel, avec pour résultat que sa luminosité est beaucoup plus intense que le soleil comme expérimenté sur la surface de la Terre. Pour cette raison, seulement 5 mW de puissance d'un pointeur laser est plus «aveuglant» (et dangereux) pour l'œil que la lumière directe du soleil.

En raison de son rayonnement élevé, un faisceau laser peut être projeté sur de grandes distances ou concentré à un très petit endroit. Les lasers bien conçus produisent un faisceau de lumière qui ne se dilate ("diverge") que par la quantité minimale prescrite par les lois de diffraction. Par exemple, la diffraction impose que la tache minimale qui peut être produite par un faisceau laser est égale à environ sa longueur d'onde.

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