Bir el fenerinin ışığı, birkaç metre sonra geniş bir alana yayılarak zayıflar. Bir lazer işaretçisinin ışığı ise duvarın öbür ucunda bile küçük ve parlak bir nokta oluşturur. Lazer ışığı, sıradan ışıktan pek çok bakımdan farklıdır. Neredeyse tek bir renkten oluşur, dar bir demet hâlinde ilerler ve dalgaları birbiriyle uyum içinde hareket eder. Bu özellikler, lazeri tıptan iletişime, sanayiden bilimsel araştırmalara kadar pek çok alanda vazgeçilmez bir araç hâline getirmiştir.

Lazer kelimesi, İngilizcede ışığın uyarılmış ışıma yoluyla güçlendirilmesi anlamına gelen bir ifadenin baş harflerinden oluşur. Bu ifadenin içindeki uyarılmış ışıma kavramı, ilk olarak 1917 yılında Albert Einstein tarafından kuramsal olarak öngörüldü. Einstein, atomların ışıkla etkileşimini incelerken o güne kadar bilinmeyen bir süreç tanımladı. Ancak bu kuramsal öngörünün pratik bir cihaza dönüşmesi için yaklaşık kırk yıl geçmesi gerekti.

Uyarılmış ışımayı anlamak için atomların enerji düzeylerini düşünmek gerekir. Atomlardaki elektronlar, belirli enerji düzeylerinde bulunabilir. Bir elektron enerji soğurduğunda daha yüksek bir düzeye çıkar. Bu uyarılmış durum genellikle kısa sürer ve elektron kendiliğinden daha düşük bir düzeye inerken bir foton, yani bir ışık parçacığı yayar. Bu olaya kendiliğinden ışıma adı verilir. Sıradan ışık kaynaklarında atomlar, birbirinden bağımsız olarak ve rastgele zamanlarda ışık yayar.

Einstein'ın öngördüğü uyarılmış ışımada ise durum farklıdır. Uyarılmış bir atomun yakınından belirli bir enerjiye sahip bir foton geçtiğinde, bu foton atomu uyararak elektronun daha düşük bir düzeye inmesini tetikleyebilir. Bu sırada atom, kendisini uyaran fotonla tamamen aynı özelliklere sahip yeni bir foton yayar. İki foton aynı renkte, aynı yönde ve aynı uyum içinde ilerler. Bu iki foton başka uyarılmış atomlara çarptığında, süreç tekrarlanır ve foton sayısı çığ gibi artar.

Ancak bu sürecin işleyebilmesi için önemli bir koşulun sağlanması gerekir. Normal koşullarda atomların büyük çoğunluğu düşük enerji düzeyindedir. Bu durumda fotonlar, uyarılmış ışımaya yol açmaktan çok atomlar tarafından soğurulur. Lazerin çalışabilmesi için atomların çoğunluğunun yüksek enerji düzeyinde bulunması gerekir. Bu durum, doğal dengenin tersine çevrilmesi anlamına gelir ve nüfus terselmesi olarak adlandırılır. Lazerlerde bu durum, atomlara elektrik, ışık ya da başka bir yolla sürekli enerji verilerek sağlanır.

Bir lazerin temel yapısı, ışığı güçlendiren bir ortam ve bu ortamın iki ucuna yerleştirilmiş aynalardan oluşur. Ortamda oluşan fotonlar, aynalar arasında defalarca gidip gelerek her geçişte daha fazla uyarılmış ışımaya yol açar ve ışık giderek güçlenir. Aynalardan biri, ışığın küçük bir kısmının dışarı çıkmasına izin verecek biçimde yarı geçirgen yapılır. Bu yarı geçirgen aynadan çıkan ışık, lazer demetini oluşturur.

İlk çalışan lazer, 1960 yılında Amerikalı fizikçi Theodore Maiman tarafından yakut kristali kullanılarak üretildi. İlginç biçimde lazer icat edildiğinde, pek çok kişi onun ne işe yarayacağını tam olarak bilmiyordu. Bazıları lazeri, bir sorun arayan bir çözüm olarak nitelendirdi. Ancak birkaç on yıl içinde lazer, modern yaşamın sayısız alanında kullanılmaya başlandı. Bu durum, temel araştırmaların uygulama alanlarının çoğu zaman önceden kestirilemeyeceğini gösteren güzel bir örnektir.

Bugün lazerler, günlük yaşamımızın pek çok yerinde karşımıza çıkar. Marketlerdeki barkod okuyucular, lazer ışığıyla ürünlerin üzerindeki çizgileri okur. İnternet üzerinden gönderdiğimiz verilerin büyük bölümü, okyanusların altından geçen fiber optik kablolarda lazer ışığıyla taşınır. Lazer yazıcılar, metal kesme ve kaynak makineleri ve ölçüm cihazları da lazerden yararlanır. Müzik ve film depolamak için kullanılan eski optik diskler de lazerle okunuyordu.

Tıp, lazerin en önemli kullanım alanlarından biridir. Göz hekimleri, korneanın biçimini lazerle hassas biçimde düzelterek bazı görme bozukluklarını gidermektedir. Lazerler ayrıca deri hastalıklarının tedavisinde, bazı tümörlerin yok edilmesinde ve kan kaybını azaltan cerrahi işlemlerde kullanılır. Lazer ışığının belirli bir dokuya son derece hassas biçimde odaklanabilmesi, çevredeki sağlıklı dokulara verilen zararın en aza indirilmesini sağlar.

Bilimsel araştırmalarda da lazerler vazgeçilmez araçlardır. Bilim insanları, lazerler kullanarak atomları mutlak sıfıra çok yakın sıcaklıklara kadar soğutabilmektedir. Kütle çekim dalgalarını algılayan dev dedektörler, son derece hassas lazer ölçümlerine dayanır. Gökbilimciler ise Apollo astronotlarının Ay yüzeyine bıraktığı aynalara lazer ışığı göndererek, Dünya ile Ay arasındaki uzaklığı santimetre düzeyinde bir hassasiyetle ölçmektedir.

Einstein'ın kuramsal bir öngörüsü olarak başlayan uyarılmış ışıma, bugün dünyanın dört bir yanında milyarlarca cihazın içinde ışıldamaktadır. Lazerin öyküsü, soyut fizik kuramlarının zamanla yaşamımızı derinden değiştiren teknolojilere nasıl dönüşebileceğinin en parlak örneklerinden biridir.