Pour simplifier un laser est constitué de deux miroirs séparés d'une distance ; l'un des deux miroirs est parfaitement réfléchissant et l'autre est légèrement transparent pour laisser s'échapper le rayonnement lumineux (voir 45). A l'intérieur de la cavité formée par les deux miroirs se trouve un gaz sous faible pression. Le gaz est excité par une décharge électrique. Par exemple dans un laser He-Ne, le gaz est constitué de et de de sous une pression totale de de . La tension entre les deux éléctrodes est de l'ordre de ce qui permet d'amener par collision les électrons des atomes dans des niveaux excités.

Figure 45 : Schéma de principe d'un laser He-Ne. On distingue les deux miroirs et le tube à décharge limité par deux fenêtres à l'incidence de Brewster

Dans le cas de ce laser, il y a deux types d'atomes. On peut supposer que les atomes sont dans un état excité et qu'il peuvent transférer leur énergie par collision aux atomes pour les amener dans un état excité. On dit alors que l'on a une collision résonante. La probabilité d'observer ce phénomène est régie par les règles de la mécanique quantique et l'on montre qu'elle est d'autant plus grande que la différence des niveaux d'énergie est faible. C'est pourquoi on utilise ce type de mélange car les niveaux de l' sont très proches des et du . La transition du niveau à du produit une raie rouge intense de longueur d'onde .

Figure 46 

Le phénomène d'émission induite est très rare dans des sources classiques qui fonctionnent sur le principe de l'émission radiative spontanée. Dans les lasers on s'arrange pour amener une grande partie des atomes dans un état excité. Un photon spontané émis dans un tel milieu produit une véritable cascade de photons induits ayant tous la même phase et la même direction de propagation que le photon incident.

Le rayonnement émis se propage dans la cavité et est réfléchi par les miroirs. Si l'on appelle le temps mis par un rayon pour effectuer un aller-retour dans la cavité, on conçoit que l'intensité puisse augmenter par sauts de si les miroirs sont assez réfléchissants. Si l'on appelle et les coefficients de réflexion en intensité sur chaque les deux miroirs de la cavité et si l'on coupe de manière très rapide le faisceau, on constate que le rayonnement persiste dans la cavité. On a en effet :

ce qui conduit à

Il s'ensuit que l'intensité décroît dans la cavité comme

avec

Supposons que l'on considère une cavité de et des miroirs tels que , on a alors et .

Les modes propres de la cavité laser sont obtenus en considérant que le champ électrique doit s'annuler sur les miroirs du . Si la longueur d'onde d'émission est notée il faut que la distance entre les deux miroirs vérifie

pour que la cavité puisse rentrer en résonance. Si cette condition est vérifiée les ondes se réfléchissent en phase sur chaque miroir. Les modes possibles doivent donc satisfaire la relation

Nous avons vu précédemment que la différence de fréquence entre 2 modes constitue l' de la cavité. La largeur d'un mode dépend de la finesse et est donnée par .

A cause de l'agitation thermique les niveaux électroniques fluctuent et la fréquence d'émission n'est pas une distribution de Dirac mais une gaussienne centrée sur une fréquence et de largeur spectrale . Cette largeur est très supérieure à celle d'un mode de la cavité.