光放大

原子系统，诸如原子、离子和分子，只存在于分立的能态。从一个能态到另一个能态的变化称为跃迁，它伴随着光子的发射或吸收。

波尔频率关系式给出了吸收或发射辐射的波长：

E₂ − E₁ = hν₂₁

式中 E₂ 和 E₁ 是两个离散的能级，ν₂₁ 为频率，h 是普朗克常量。与这一原子系统的能隙相对应的是频率为 ν₂₁ 的电磁波，该电磁波与原子系统能够相互作用。出千下文分析的需要，现在将固体材料近似地视作非常多的相同原子系统的集合体。在热平衡时，材料中处于下能态的粒子数远比上能态的多，电磁波与其发生相互作用，使原子和分子从低能级上升到高能级，即为吸收。

激光器运转要求改变激光材料的能量平衡，使能量存储于该材料的原子、离子或分子之中。通过外部泵浦源使激光材料中的粒子从低能态跃迁到高能态，即泵浦辐射导致“粒子数反转”。使频率适中的电磁波入射到该“反转的”激光材料上，入射光子将促使高能级的原子降落到低能级而发射出额外的光子，形成光波放大。最终，能量从原子系提出取出来，供给给辐射场。通过与电磁波相互作用释放存储的能量是基于受激辐射或感应辐射。

简言之，当材料受到激励，使得它的原子（分子）在高能级的分布多于低能级时，该材料就能够以与能级差相应的频率使辐射放大。英文中的“激光”正是“受激辐射光放大”的简称。

对辐射与物质之间相互作用的量子力学研究表明，受激辐射与激励辐射场实际上是不可区分的，即受激辐射与激励场在方向性、偏振性、相位和光谱特性等方面都是相同的。这些因素决定了受激辐射有极其高的相干性，相干性正是激光辐射的基本特征。

在固体激光器中，能级及相关的跃迁频率，是由围绕原子核的电子轨道中各种不同的量子能级或者容许的电子量子态所引起的。除了这种电子跃迁外，气体中的多原子分子还存在由分子整体的振动和转动形成的能级。