В упорядочение лазерах излучения элементарных гармонических осцилляторов активного вещества происходит на качественно новой основе, что приводит к тому, что число квантов в данном типе колебаний (в данной моде) намного превышает единицу и потому излучение оказывается в сильной степени вырожденным, одновременно в той или иной степени реализуются и упомянутые выше свойства лазерного излучения. Это достигается, во-первых, соответствующим выбором спектроскопических характеристик лазерного вещества, у которого в процессе накачки число атомов, находящихся в верхнем (возбужденном) состоянии, становится больше, чем находящихся в нижнем (основном) состоянии, т. е. может создаться инверсная населенность. При наличии в среде инверсной населенности коэффициент поглощения проходящего через среду пучка света становится отрицательным и потому среда усиливает излучение за счет энергии возбужденных частиц. Максимальное усиление наблюдается в центре спектральной линии соответствующего перехода, поэтому по мере распространения излучения в среде с инверсной населенностью спектр его будет сужаться, что и является одной из причин высокой монохроматичности лазерного пучка. Вторым условием развития генерации является компенсация всех потерь, произошедших при прохождении излучения через активную среду. Это достигается использованием принципа обратной связи, заключающейся в направлении части излучения снова в среду для компенсации имеющихся в ней потерь. В лазерах это достигается помещением активной среды между двумя зеркалами , образующими оптический резонатор, характеризующийся набором дискретного количества собственных типов колебаний (мод излучения). Наличие обратной связи, возникающей вследствие многократного отражения излучения от зеркал резонатора, обеспечивает переход энергии возбужденных атомов к одному и тому же типу колебаний резонатора. Поскольку добротность резонатора заметно падает для тех типов колебаний, которые составляют заметный угол с его осью вследствие увеличения потерь (например, потерь, связанных с выходом излучения за пределы резонатора после нескольких отражений), то излучение, генерируемое лазером, характеризуется высокой степенью направленности. При этом угловая ширина пучка лазерного излучения в первом приближении пропорциональна числу мод излучения. Минимально достижимая угловая ширина пучка определяется дифракцией на выходном зеркале лазера. Ограниченное число мод обеспечивает и высокую степень когерентности лазерного излучения.

Обычно принято различать режим свободной генерации лазера, когда длительность лазерного излучения определяется длительностью воздействия накачки, и режим модулированной добротности. Этот режим обеспечивается включением внутрь резонатора лазера (см. рис. 1) особого оптического затвора (модулятора) существенно увеличивающего потери резонатора в закрытом состоянии и способного в очень короткий промежуток уменьшить потери резонатора до достаточно малого значения, при котором становится возможной генерация лазерного излучения. Применение подобного затвора позволяет накопить большую энергию в резонаторе и затем выделить ее в виде короткого импульса (длительностью примерно 10-8 с) большой мощности. Длительность импульса в этом режиме работы лазера ограничивается снизу размерами резонатора, поскольку для формирования импульса требуется по крайней мере один проход света между зеркалами резонатора. Для получения импульсов лазерного излучения с длительностью порядка 10-12—10-10 с используют метод синхронизации мод, который может быть реализован путем помещения в резонатор вещества, прозрачность которого изменяется с заданной частотой. При этом сокращение длительности лазерного импульса достигается за счет специфических интерференционных эффектов.

Для увеличения энергии (или мощности) лазерного излучения используют лазерные усилители, которые представляют собой активную среду, накачиваемую тем или иным способом до образования заданного уровня инверсной населенности. Пропуская через такую среду лазерный пучок, длина волны излучения которого заключена в пределах ширины спектральной линии перехода частиц активной среды лазерного усилителя, можно существенно увеличить интенсивность лазерного пучка за счет стимулированного излучения атомов активной среды усилителя.

Уровни мощности излучения, достигаемые при использовании лазеров, нередко могут оказаться достаточными для наблюдения нелинейных эффектов в оптических средах, через которые проходит лазерный пучок. Эти эффекты состоят в том, что показатель преломления среды оказывается зависящим от интенсивности пучка и принцип суперпозиции, заключающийся в независимости световых пучков, распространяющихся в среде, оказывается нарушенным, а сами пучки влияют друг на друга. Это сопровождается, например, тем, что при распространении в нелинейной среде монохроматической волны возникают волны с другими частотами. На основе этого явления получила развитие новая область оптики— нелинейная оптика и разработаны технически реализуемые методы преобразования частоты лазерного излучения.

К основным характеристикам лазеров относятся: энергия Wи (или мощность Ри) лазерного излучения, средняя мощность лазерного излучения Рср (для импульсного излучения, происходящего с конечной частотой повторения), длина волны X (или частота v) лазерного излучения, ширина линии излучения 6А, (или 6v), частота повторения импульсов F, длительность импульса т„, а также расходимость лазерного излучения, определяемая плоским углом 2u, в пределах которого распространяется заданная доля энергии (или мощности) лазерного излучения.