אלומתו של פנס נראית כמו חרוט; צרה קרוב לפנס ומתרחבת ככל שהמרחק ממנו גדל (חשבו על היקף העיגול שיוצרת האלומה כשהיא פוגעת בקיר). לייזר הוא למעשה פנס שקרינתו ממוקדת ומורכבת מאור בצבע (כמעט) אחיד, ושומרת על צורתה במרחב. בפיזיקה, תכונה זו נקראת קוהרנטיות. לרוב, אור נע במבנה המורכב מקרניים בצבעים שונים, הנקרא "חבילות גלים". לחבילות הגלים יש נטייה להתפרק לצבעים השונים שלהן ולאבד את צורתן התחילית כשהן נעות בתווך שאיננו ריק, כמו למשל האוויר שסביבנו או טיפות גשם. תהליך זה נקרא "נפיצה" [1], והוא אחת הסיבות לכך שאלומות אור נראות כאילו הן מתרחבות - וגם ליצירתה של קשת בענן. מאחר וקרני לייזר מורכבות מאור בצבע כמעט אחיד, הן מאבדות את הקוהרנטיות שלהן באופן איטי הרבה יותר מאור רגיל. לכן, ניתן להשתמש בקרני לייזר להעברה ממוקדת של אנרגיה, כמו למשל הארה ממוקדת של נקודה במרחב. להתקני לייזר שימושים נרחבים בתחומים שונים, כגון ניתוחיo לתיקון ראיה [2], הסרת שיער [3], העברת מידע בכבלים אופטיים [4], שימושים במחקרים טכנולוגיים, ואף ככלי נשק [5].
יצירת הלייזר מבוססת על שימוש בחומר מגביר, הפולט יותר אור ממה שהוא קולט. ההגבר מבוסס על תופעה הנקראת עירור: אלקטרונים הקשורים לגרעיני אטומים נמצאים ברמות אנרגיה בדידות [6]. בתהליך העירור, מועברים אלקטרונים מרמת אנרגיה נמוכה לרמת אנרגיה גבוהה יותר. בפליטה רגילה, חוזרים האלקטרונים לרמת האנרגיה נמוכה יותר באופן ספונטני, ופולטים אור בתדירות הפרופורציונלית להפרש בין רמות האנרגיה.
בניגוד לפליטה הרגילה (הספונטנית), בלייזרים מתרחש תהליך הנקרא "פליטה מאולצת", בה נמצא החומר בשדה אלקטרומגנטי חיצוני המאלץ אותו לפלוט קרינה נוספת, ובאופן זה נוצר הגבר. פליטה מאולצת דורשת כי האלקטרונים יאכלסו בעיקר רמת אנרגיה גבוהה, בניגוד למצב הטבעי בו הם ברמות האנרגיה הנמוכות. תהליך זה נקרא "היפוך אוכלוסין". האלקטרונים ברמות האנרגיה הגבוהות מגיבים לקרינה החיצונית על ידי כך שהם דועכים לרמת האנרגיה הנמוכה ופולטים קרינה הזהה בתכונותיה לקרינה המקיפה את האטומים. הדעיכה תתרחש גם ללא הקרינה החיצונית, אולם בקצב נמוך מכדי ליצור מקור אור מורגש. התהליך נקרא פליטה מאולצת, שכן הקרינה החיצונית מאלצת את הפליטה.
החומר הפולט נמצא בתוך מהוד, שלרוב מורכב ממראות. הקרינה שנפלטה מוחזרת אל החומר הפולט, מאלצת פליטה של עוד קרינה ויוצרת הגבר. כדי להבין את התהליך, ניתן לדמיין תוכי החוזר על כל מה שהוא שומע ונמצא במערה: ברגע שנצעק, התוכי יחזור אחרינו, הקול שלו יוחזר מדפנות המערה בצורת הד, ויגרום לו לצעוק חזק יותר, הצעקות החזקות יותר יוחזרו גם הן מקירות המערה, ויגרמו לו לצעוק עוד יותר חזק, וכך הלאה (מומלץ לא לנסות בבית).
יצירת הלייזר דורשת מקור אנרגיה חיצוני, ההכרחי לכך שהחומר יוכל לפלוט אור ולהגביר את האור שהוא קולט.
אחת הבעיות העיקריות ביצירת לייזר היא איבודים והפסדים של קרינה. איבודים אלו יכולים להיות קטנים מאוד, אולם הופכים למשמעותיים לאורך זמן. במערכות פולטות לייזר בעיות אלו חמורות, ויכולות להוביל לירידה משמעותית בעוצמת הפליטה, הרחבה של הספקטרום הנפלט ולבלאי מוגבר של ההתקן. הדבר נכון במיוחד להתקני לייזר בעצמה גבוהה, בהם האיבודים דרמטיים בעצמתם. עיקר האיבודים מתרחשים במהוד. המחקר החדש מצא דרך לשימוש במבודדים טופולוגיים לשיפור שעשוי להיות דרמטי באיכות הלייזר ובהפחתה של ההפסדים הללו. פיתוח לייזרים בעלי הפסדים קטנים יותר הוא קריטי לשימושים רבים, ממחקר אקדמי מתקדם ועד לשימושים בשוק האזרחי.
מבודדים טופולוגיים [7] הם מצב אקזוטי של חומרים מוצקים, שנחזה לראשונה בשנת 1988 על ידי דאנקן האלדן, זוכה פרס נובל לפיזיקה לשנת 2016. מבודדים טופולוגיים הם חומרים בהם זרם חשמלי יכול לנוע רק על השפה, ורק בכיוון אחד. כדי להבין זאת, נדמיין דף מוליך. בחומר רגיל, יוכל הזרם החשמלי לנוע לכל כיוון על הדף. לעומת זאת, במבודד טופולוגי, ינוע הזרם רק על היקף הדף (עם או נגד כיוון השעון).
 

אילוסטרציה לזרם על שפת מבודד טופלוגי, על השפה ובאופן חד כיווני.

מקורות וקריאה נוספת:

1.  על נפיצה
2. על ניתוחי לייזר לתיקון ראיה.
3. על הסרת שיער בלייזר.
4. על העברת מידע בכבלים אופטיים.
5. על לייזר ככלי נשק
6. על עירור אלקטרונים
7. על מבודדים טופולוגיים
8. על פרס נובל לפיזיקה לשנת 2016
9. מחקר 1
10. מחקר 2