1、自發(fā)輻射與受激輻射

　　自發(fā)輻射是在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。hn=E2-E1。

　　設發(fā)光物質單位體積中處于能級E1，E2的原子數(shù)分別為N1，N2，則單位時間內從E2向E1自發(fā)輻射的原子數(shù)為

　　A21為自發(fā)輻射概率(自發(fā)躍遷率)：表示一個原子在單位時間內從E2自發(fā)輻射到E1的概率。

　　處于高能級E2上的原子，受到能量為hn= E2- E1的外來光子的激勵，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。稱為受激輻射。

　　W21為表示一個原子在單位時間內從E2受激輻射躍遷到E1的概率。

　　2、粒子數(shù)反轉

　　受激吸收與E1的原子數(shù)N1成正比，受激輻射與E2的原子數(shù)N2成正比。當N2《N1時發(fā)生受激輻射遠少于發(fā)生受激吸收，是不可能實現(xiàn)光放大的.要實現(xiàn)光放大，必須采取特殊措施，打破原子數(shù)在熱平衡下的玻耳茲曼分布，使N2>N1。我們稱體系的這種狀態(tài)為粒子數(shù)反轉 (或“負溫度”體系)。所以，產(chǎn)生激光的首要條件是實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。

　　能夠實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的介質稱為激活介質。要造成粒子數(shù)反轉分布，首先要求介質有適當?shù)哪芗壗Y構，其次還要有必要的能量輸入系統(tǒng)。供給低能態(tài)的原子以能量，促使它們躍遷到高能態(tài)去的過程稱為抽運過程。

　　3、光學諧振腔

　　在激光器中利用光學諧振腔來形成所要求的強輻射場，使輻射場能量密度遠遠大于熱平衡時的數(shù)值，從而使受激輻射概率遠遠大于自發(fā)輻射概率。

　　光學諧振腔的主要部分是兩個互相平行的并與激活介質軸線垂直的反射鏡，有一個是全反射鏡，另一個是部分反射鏡。在外界通過光、熱、電、化學或核能等各種方式的激勵下，諧振腔內的激活介質將會在兩個能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。這時產(chǎn)生受激輻射，在產(chǎn)生的受激輻射光中，沿軸向傳播的光在兩個反射鏡之間來回反射、往復通過已實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉的激活介質，不斷引起新的受激輻射，使軸向行進的該頻率的光得到放大，這個過程稱為光振蕩。這是一種雪崩式的放大過程，使諧振腔內沿軸向的光驟然增強，所以輻射場能量密度大大增強，受激輻射遠遠超過自發(fā)輻射.這種受激的輻射光從部分反射鏡輸出，它就是激光。沿其他方向傳播的光很快從側面逸出諧振腔，不能被繼續(xù)放大。而自發(fā)輻射產(chǎn)生的頻率也得不到放大。因此，從諧振腔輸出的激光具有很好的方向性和單色性。

　　結論

　　理論上講，只要工作物質足夠長，則不管初始自發(fā)輻射有多弱，最終總可以被放大到一定強度。但在實際激光器中，一般來說，工作物質既沒有必要，也沒有可能特別長(最近發(fā)展起來的以光纖為工作物質的激光器是一個例外)，通常的做法是在其兩端各放一塊反射鏡，使光得以來回反射多次通過工作物質并被不斷放大，為充分利用光能，介質往往被置于一聚光腔體中，后者與端面反射鏡共同構成激光諧振腔。

　　由以上的討論可以看出，激光作為一種光，與自然界其他發(fā)光一樣，是由原子(或分子、離子等)躍遷產(chǎn)生的，而且是由自發(fā)輻射引起的。不同的是，普通光源自始至終都是由自發(fā)輻射產(chǎn)生的，因而含有不同頻率(或不同波長、不同顏色)的成分，并向各個方向傳播。激光則僅在最初極短的時間內依賴于自發(fā)輻射，此后的過程完全由受激輻射決定。正是這一原因，使激光具有非常純正的顏色，幾乎無發(fā)散的方向性，極高的發(fā)光強度。而正是這些神奇的特性，使激光在各個領域具有一系列令人難以置信而又不得不相信的應用。