الليزر الذري يعتمد على آلية عمل تسمى التوليف الفوتوني الذري. في الليزر الذري، تحفز الذرات النشطة داخل وسط الليزر (ويمكن أن تكون هذه الذرات أيضًا جزيئات أو أي مادة تحتوي على عنصر نشط) لإصدار الفوتونات، والتي تؤدي إلى إنتاج أشعة ليزر.
العملية تبدأ بتحفيز الذرات النشطة بضوء على التردد الصحيح، مما يؤدي إلى انتقال الإلكترونات داخل الذرة إلى حالة طاقة أعلى. عندما يعود الإلكترون إلى حالته الأساسية، يطلق الذرة فوتونًا على شكل ضوء ليزر عند تردد واحد وتوجيه وتركيز عاليين. هذا العملية تُكرر عشوائيًا بين الذرات النشطة داخل الليزر، مما يؤدي إلى توليد وإرسال أشعة ليزر على شكل نبضات أو شعاع مستمر، حسب تصميم الجهاز.
تتطلب عملية توجيه الضوء الليزري مرآةين عاكسين على جانبي الوسط الليزري لتكوين استعداد (resonator) حيث يتم التضخيم والتوجيه للضوء. بمجرد أن يتجاوز عدد الفوتونات حاجز الاستعداد، ينشغل الليزر بإطلاق هذه الفوتونات في شكل شعاع ليزري موحد الضوء والتردد والاتجاه.
