Se lo stato iniziale di un atomo o molecola è portato da una fonte di energia esterna a un più elevato livello di energia (E2), nel momento in cui decade al livello iniziale (E1) viene rilasciato un fotone. Se questo fotone contatta un altro atomo o molecola, anch'essa a un livello eccitato (E2), causa il suo decadimento al livello E1. Anche questo decadimento produrrà  il rilascio di un fotone, il quale potrà  a sua volta incontrare un nuovo atomo o molecola eccitato causandone il decadimento e, pertanto, il rilascio di un nuovo fotone. Questo processo, che una volta innescato avrà  uno sviluppo caotico e rapi­dissimo producendo un fascio di fotoni innescati con stessa lunghezza d'onda, fase, direzione ed energia, è noto con il nome di emissione stimolata (stimulated emission).

Un processo di questo tipo viene realizzato all'interno di un involucro cilindrico alle cui basi sono posti due specchi che permettono l'autoalimentazione del bombardamento di fotoni; uno dei due a riflessione totale e l'altro che permette la fuoriuscita di una parte di fotoni. La piccola percentuale di foto­ni uscente prende il nome di amplificazione di luce attraverso l'emissione sti­molata di radiazioni: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) (Figura 6.1)

Gli impianti o macchine laser si compongono di tre gruppi:

• la sorgente laser;
• un sistema di trasferimento del raggio;
• un sistema operativo.

La sorgente è, nella maggior parte dei casi, un aggregato standard modificato ad hoc per l'impiego nelle lavorazioni speciali o nel trattamento delle superfici. Il tipico range di potenza entro cui operano le sorgenti impiegate per il taglio non supera i 3 kW mentre per la saldatura vengono impiegate potenze superiori, fino a 8 kW. Una superiore qualità  del raggio è quella ottenuta in aggregati di potenza in cui l'eccitazione del gas laser viene sviluppata in alta frequenza. Gli elementi e le grandezze caratteristiche ottiche ed energetiche del fascio laser sono (Figura 6.2):

• diametro del raggio laser (d) - supponendo il fascio a simmetria circolare, è il diametro di una qualsiasi sezione normale del fascio;
• superficie della sezione del raggio o spot (A) - area della sezione normale del raggio laser stesso. Essa può assumere valori diversi in diversi punti del però corso ottico del raggio;
• punto focale o fuoco - punto situato a valle della lente di focalizzazione in cui il diametro del raggio laser (dr] è minimo;
• piano focale - piano passante per il punto focale perpendicolare all'asse del fascio;
• lunghezza focale - distanza tra il piano della lente di focalizzazione e il piano focale
• divergenza - angolo con il quale il raggio devia dal parallelismo (caratteristico del laser);
• angolo di convergenza - angolo che, alla distanza focale, porta il diametro del fascio al valore che ha nel punto focale;
• angolo di incidenza - angolo formato dall'asse ottico del fascio e dalla normale alla superficie del pezzo;
• altezza del fuoco - distanza tra il punto focale e l'intersezione tra asse ottico e superficie del pezzo sul quale è puntato il laser (negativa se il punto focale si trova oltre la superficie del pezzo);
• profondità  di fuoco o zona attiva - intorno del punto focale in cui il diame­tro del fascio cresce fino al +5% rispetto al diametro minimo; varia linearmente con la lunghezza focale.

A volte si può ingenerare confusione perchè si definisce convenzionalmente come diametro del raggio laser il diametro del cerchio ortogonale e centrato sull'asse ottico del fascio che contiene circa l'86% della potenza totale del fascio; esso determina la densità  di potenza (p) del raggio, che è definita dal rapporto tra la potenza e l'area su cui il raggio stesso viene focalizzato. La densità  di potenza del raggio cresce all'aumentare della potenza della sorgente stessa e al diminuire dell'estensione dello spot in cui il raggio può essere focalizzato: a sua volta l'estensione minima dello spot dipende dal tipo di distribuzione di energia che lo caratterizza cioè dalla qualità  del laser.

Ogni cavità  laser è sede di un campo elettromagnetico stazionario che si manifesta con modi di oscillazione sia longitudinali sia trasversali: questi ultimi, chiamati TEM_mn (Transverse Electric and Magnetic Modes), sono responsabili del tipo di distribuzione di energia che caratterizza il raggio in una sezione ortogonale all'asse di propagazione. I pedici «m» e «n» stanno a indicare il numero intero di punti nodali sui due assi delle sezioni trasversali. Il modo di oscillazione più semplice è il TEM₀₀, nel quale la distribuzione di potenza è di tipo gaussiano. Per un raggio di tipo gaussiano, d è definito come il diametro entro il quale la potenza passa dal valore massimo (localizzato al centro) a un valore pari a 1/e² volte quello massimo:

La distribuzione gaussiana (TEM00) è quella che permette di raggiungere il valore minimo del diametro di spot. Ricordando che esso si ottiene proprio in corrispondenza del punto focale, il diametro minimo di un raggio gaussiano focalizzato risulta definito mediante la seguente formula:

d _{f min} = diametro dello spot (mm);

d₀ = diametro del fascio prima della lente convergente (mm);

f = lunghezza focale (mm);

λ = lunghezza d'onda (mm).

Aberrazioni e di imperfezioni nelle ottiche determinano un aumento dell'angolo di divergenza. Tuttavia valutare la qualità  del raggio in relazione al caso ideale è fondamentale: per far questo è stato introdotto un coefficiente M definito dalla relazione:

M = (divergenza del raggio reale Θ ¸)/(divergenza del raggio gaussiano ideale Θ ¸_i)

Anche l'invecchiamento delle lampade di eccitazione determina un abbassamento della potenza emessa: per questo molti produttori, accanto alle presta­zioni ottimali, indicano (e in molti casi garantiscono) la soglia di prestazione minima del laser.

Nella lavorazione di un metallo solo una parte dell'energia incidente viene assorbita (α = frazione dell'energia incidente assorbita): con il termine riflettività  (r = 1 - α) si intende la frazione di energia incidente che viene riflessa.

In tabella 3.2 sono riportati i valori di riflettività  per alcuni metalli in fun­zione della lunghezza d'onda incidente. L'energia assorbita varia in funzione della lunghezza d'onda della radiazione e della temperatura del metallo, ma presenta comunque una condizione critica per cui, superato un valore opportuno di densità  di potenza, la quantità  di energia assorbita aumenta in modo sensibile.