Quel est le principe de fonctionnement des lasers ? On a vu que l’émission stimulée d’un atome ou d’une molécule produit un nouveau photon qui a exactement les mêmes fréquence, phase et direction que le photon incident ; dans un laser, cela se fait à grande échelle, sur un très grand nombre d’atomes ou molécules identiques. C’est pourquoi un laser a la particularité d’émettre une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. Il s’agit d’une lumière dite cohérente, contrairement par exemple à celle émise par une ampoule à filament, qui émet de nombreuses ondes de fréquences et phases diverses et ce dans toutes les directions.

Mais pour obtenir un effet d’émission stimulée sur un grand nombre d’atomes ou molécules, il faut fournir de l’énergie au milieu matériel afin que ses atomes ou molécules soient pour la plupart dans un niveau d’énergie excité E₂, et non dans leur niveau fondamental E₁. C’est ce qu’on appelle effectuer une inversion de population, car à l’équilibre thermodynamique la majorité des atomes se trouvent au contraire dans l’état d’énergie le plus bas (plus précisément, le rapport des populations des niveaux E₂ et E₁ vaut, à l’équilibre thermodynamique à la température absolue T :

Le mécanisme précis aboutissant à l’inversion de population fait intervenir un ou plusieurs niveaux d’énergie intermédiaires entre E₁ et E₂ (ce n’est pas possible s’il n’y a que ces deux niveaux). De plus, le niveau excité E₂ doit être suffisamment stable pour que l’émission spontanée ne se produise pas trop rapidement ; autrement, celle-ci devancerait l’émission stimulée et l’on obtiendrait pas une onde lumineuse cohérente.

L’inversion de population étant réalisée (par excitation lumineuse — on parle dans ce cas de « pompage optique » — ou électrique par exemple), regardons ce qui se passe lorsque l’un des atomes excités émet un photon de fréquence n = (E₂ – E₁)/h par émission spontanée. En arrivant sur un autre atome excité, ce photon va déclencher une émission stimulée, à l’issue de laquelle on obtient deux photons identiques et en phase. Ces deux photons vont à leur tour donner lieu à deux émissions stimulées, d’où deux nouveaux photons. Et ainsi de suite : le nombre de photons identiques et en phase qui traversent le milieu se multiplie très rapidement. C’est l’effet laser, c’est-à-dire l’amplification du rayonnement.

Les propriétés du rayon laser, en particulier sa fréquence lumineuse, dépendent en bonne partie du milieu matériel choisi pour remplir la cavité entre les deux miroirs. On a ainsi une grande variété de lasers : à gaz (hélium-néon, CO₂, etc.), à solides (rubis, néodyme, etc.), à liquides, à colorants, à semi-conducteurs. Il existe aussi des lasers à électrons libres, dont le principe est différent. Beaucoup de lasers sont peu puissants mais fournissent un faisceau en continu (les lasers à hélium-néon par exemple, qui sont fort répandus), tandis que d’autres sont très puissants mais ne délivrent que des impulsions brèves.

La gamme de longueurs d’onde accessibles ne cesse de s’étendre avec les années. La plupart des lasers de petite taille, comme les diodes laser qui équipent les lecteurs de CD, fonctionnent dans le rouge ou l’infrarouge, mais récemment le bleu a été atteint (cela promet des CD contenant encore plus d’informations sur une même surface ; en effet, la taille minimale de la tache produite par un rayon lumineux est, à cause des phénomènes de diffraction, de l’ordre de la longueur d’onde, or la longueur d’onde du bleu est environ la moitié de celle du rouge). Et d’autres dispositifs, plus volumineux et encore au stade de développement, ont atteint le domaine ultraviolet ou celui des rayons X.

À la diversité des lasers correspond une diversité encore plus grande de leurs applications : lecture de codes-barre dans les supermarchés, traitements ophtalmologiques, découpe de tissus, mesure précise de distances, détection de polluants atmosphériques, holographie, communications par fibres optiques, imprimantes d’ordinateurs, etc.

Les lasers sont également devenus des instruments dont les chercheurs — les physiciens, les chimistes — peuvent difficilement se passer. Des lasers à impulsions ultrabrèves permettent d’analyser comment se déroule une réaction chimique élémentaire ; en physique atomique et moléculaire, la lumière laser permet de contrôler et de sonder avec précision l’état des atomes ou des molécules ; et ainsi de suite. Bref, le laser est incontestablement l’une des inventions majeures du XX^e siècle.