Η λέξη laser είναι ακρωνύμιο από τα Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Η λέξη κλειδί εδώ είναι stimulated emission, το οποίο είναι και αυτό που επιτρέπει στο laser να παράγει έντονες υψηλής ισχύος ακτίνες φωτός που βρίσκονται σε μία ή παραπάνω ξεχωριστές συχνότητες.

Για να κατανοήσουμε τη λειτουργία ενός laser, πρέπει να αναφερθούμε στην ενεργειακή θεωρία των ατόμων. Στα σταθερά άτομα τα ηλεκτρόνια  βρίσκονται στα χαμηλότερα δυνατά επίπεδα ενέργειας. Σε κάθε άτομο υπάρχει ένας αριθμός διακριτών επιπέδων ενέργειας τα οποία μπορεί να έχει ένα ηλεκτρόνιο. Αυτά τα ονομάζουμε καταστάσεισ (states). Για να αλλάξει επίπεδο ένα ηλεκτρόνιο που βρίσκεται στην κατώτερη στοιβάδα πρέπει το άτομο να απορροφήσει ενέργεια. Όταν αυτό συμβεί, το άτομο διεγείρεται και το ηλεκτρόνιο ανεβαίνει σε ψηλότερο ενεργειακό επίπεδο. Στη φάση αυτή το ηλεκτρόνιο είναι ασταθές και συνήθως γυρνάει γρήγορα στην αρχική του κατάσταση, απελευθερώνοντας ένα φωτόνιο, ένα σωματίδιο φωτός.

Ορισμένα υλικά είναι όμως ανθεκτικά στην ακτινοβολία, το οποίο σημαίνει ότι τα υλικά τους μπορούν να μείνουν στη διεγερμένη μορφή για παραπάνω χρόνο, χωρίς σταθερή διέγερση. Αν δώσουμε αρκετή ενέργεια σε τέτοια υλικά(είτε με ένα οπτικό ηλεκτρομαγνητικό κύμα είτε με ηλεκτρικό ρεύμα), τότε υπάρχουν περισσότερα διεγερμένα ηλεκτρόνια από ότι ηλεκτρόνια σε κανονική κατάσταση(population inversion). Στην περίπτωση αυτή, το υλικό μπορεί να εκπέμψει περισσότερο φως από ότι απορροφάει.

Ένα laser αποτελείται από δύο καθρέφτες οι οποίοι σχηματίζουν μία κοιλότητα(χώρος μεταξύ τους), ένα ειδικό μέσο το οποίο βρίσκεται μέσα στην κοιλότητα(lasing medium) και μία συσκευή διέγερσης. Η συσκευή δίνει ρεύμα στο μέσο, το οποίο φτιάχνεται από ουσία ανθεκτική στην ακτινοβολία. Το ρεύμα διεγείρει τα ηλεκτρόνια που βρίσκονται στο μέσο και όταν ένα από αυτά γυρίσει στην κανονική του κατάσταση, εκπέμπεται ένα φωτόνιο. Το φωτόνιο θα ανακλαστεί στους καθρέφτες που βρίσκονται σε κάθε άκρη της κοιλότητας και θα περάσει ξανά μέσα από το μέσο.

Η stimulated emission λαμβάνει χώρα όταν ένα φωτόνιο περνάει πολύ κοντά από ένα διεγερμένο ηλεκτρόνιο. Το φωτόνιο μπορεί να οδηγήσει το ηλεκτρόνιο να απελευθερώσει την ενέργεια του και να γυρίσει την κανονική του κατάσταση. Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, το ηλεκτρόνιο απελευθερώνει ένα ακόμη φωτόνιο, το οποίο θα έχει την ίδια κατεύθυνση και συμφωνία φάσης με το αρχικό φωτόνιο. Τα φωτόνια για τα οποία η συχνότητα είναι ένα κλάσμα του μήκους της κοιλότητας, θα συνδυάζονται για να δημιουργήσουν φως στη συγκεκριμένη συχνότητα μέσα στην κοιλότητα. Μεταξύ κανονικής (spontaneous) και εξαναγκασμένης (stimulated) εκπομπής, το φως στην επιλεγμένη συχνότητα δημιουργείται με σφοδρότητα μέχρι να αφαιρεθεί από το μέσο τόσο γρήγορα όσο εισάγεται. Οι καθρέφτες ταίζουν τα φωτόνια, οπότε περαιτέρω εξαναγκασμένη εκπομπή (stimulated emission) μπορεί να συμβεί και να παραχθεί περισσότερο φως. Ο ένας από τους καθρέφτες εκπέμπει μερικά, οπότε κάποια φωτόνια θα ξεφύγουν από την κοιλότητα με τη μορφή μιας στενά εστιασμένης ακτίνας φωτός. Αλλάζοντας το μήκος της κοιλότητας, η συχνότητα του εκπεμπόμενου φωτός μπορεί να ρυθμιστεί