Важнейшей характеристикой этого процесса является то, что испущенный фотон во своим свойствам идентичен фотону, который стимулировал излучение. Например, он летит в том же направлении. Это свойство когерентности стимулированного излучения. Можно добавочно рассматривать когерентность и по другим свойствам, например, поляризации.
Эти исходные стимулирующие фотоны, «впрыснутые» в активную среду, генерируют каскадный процесс излучения: возбужденные атомы среды тоже испускают фотоны. Последние копируют один к одному все свойства фотонов, вынуждающих излучение. И каждый из испущенных фотонов вынуждает возбужденные атомы тоже излучать. Сила энергоизлучения нарастает каскадно. Один стимулирующий фотон, взаимодействуя с возбужденным атомом, подталкивает последний к испусканию фотона. Получается два когерентных фотона. Каждый из них еще взаимодействует с возбужденными атомами, подталкивая их к излучению. Итак, уже 4 фотона, затем 8, далее 16, после, скажем, 20 шагов, 2 в 20-й степени фотонов. Это очень большое число, около миллиона. И, главное, что эти фотоны когерентны; летят в одном направлении («на Болотную площадь»). Генерируется мощнейший узконаправленный поток фотонов и все фотоны имеют один и тот же цвет, соответсвующий частоте излучения. О его (цвета) роли мы расскажем позже.
Дополнительно заметим, что если мощность накачки энергии в активную среду превосходит некоторое пороговое значение, то вся энергия накачки переходит в энергию излучения. Потери, скажем в виде спонтанного излучения в различных направлениях, сводятся к минимуму; возникает узконаправленный световой луч,
мощность его совпадает с мощностью накачки. Заметим, что уж слишком сильной накачку сделать нельзя – сгорит активная среда.
Для усиления пучка используется лазерный резонатор, состоящий из двух зеркал, они гонят пучок фотонов через активную среду, туда-обратно, туда-обратно, пока не будет достигнута очень высокая мощность излучения. Потом пучок выпускается наружу.
Функционирование лазера базируется на важнейшем свойстве квантовых систем, их неразличности. Атомы, как и фотоны, неразличимы, с точностью до нескольких показателей, скажем, энергии. Фотоны могут отличаться направлением распространения, поляризацией. Но, любые два фотона с одинаковыми наблюдаемыми характеристиками неразличимы, у них нет своего «я».
А сейчас обратим внимание на одно фундаментальное свойство процессов поглощения и излучения фотонов атомами. Важнейшей связью между характеристиками фотонов и атомов является согласование их энергий. Атом может поглотить только фотон, энергия которого равна разнице энергий между уровнями в атоме, но и излучит он лишь фотон с такой же энергией. Поэтому стимулировать излучение нужно квантами той же энергии, что кванты накачки, а они в свою очередь должны