如上所述，激光具有许多优异的特点。那么，激光是怎样产生的呢？要弄清楚这个问题，我们还得从物质的发光现象谈起。

人们经过长期的研究和实践，发现各种各样的发光现象都与光源内部原子的运动状态有关系。因此，人们对原子的结构和运动状态作了大量的研究。原来，原子的结构，很象我们这个太阳系。太阳系是由一个太阳和绕它运动的9颗行星组成的。原子的结构也是这样，它是由一个原子核和一些电子组成的，这些电子沿着一定的轨道，围绕着原子核旋转。其中，原子核带正电荷，电子带负电荷。不同元素的原子，其核外电子的数目是不同的。但是，原子核所带的正电荷和所有的核外电子所带的负电荷总是恰好相等的，因此，整个原子呈中性。

电子在绕原子核运动时受到两方面的作用；一是电子绕核转动时有离开核的趋向；二是电子受核的正电荷吸引力作用而有靠近核的趋向。当两者作用达到相对平衡时，电子与原子核之间保持一定距离，即电子沿一定的轨道而运动。电子绕核运动就有一定的动能，电子被核吸引就有一定的位能。动能和位能之和就是原子的内能。电子运动的轨道离原子核越远，电子所具有的能量就越大，即原子的内能也越大。在没有外界作用的情况下，一般来说，原子中的电子都尽可能沿着离原子核较近的轨道运动。

电子和原子，这样的微观粒子和常见的宏观物体运动不同，其能量变化是不连续的。原子的内能是一档一档分开的，与此相应，原子中的电子只能在一个一个间隔开来的特定轨道上运动。我们把分成一档一档的原子内能值称为原子的能级。每一条横线代表一个能级，叫做基能级，代表的原子能量状态为基态，相当于电子在最小的轨道上运动。往上去的其它能级，叫做激发能级，代表的原子能量状态为激发态，相当于电子在各个较大的轨道上运动。如上所述，处于较低能级的原子受到外界“刺激”（光的照射、电子或原子的撞击等）而获得能量时，可以跳到较高能级去；反之，处于较高能级的原子也可以释放出一部分能量，而从较高能级跳到较低的能级。这两种过程，用专门的术语来说，就叫做“跃迁”。

在研究原子和光之间的相互作用时，人们发现有三种不同的跃迁过程：

1.自发辐射。处于较高能级的原子，很不稳定，总是力图向低能级跃迁，这正象树上的苹果有向下掉的趋势一样，一旦成熟，就会落到地上来。原子中能级数目很多，我们任选两个能级作为例子，说明原子的跃迁问题。在没有任何外界作用的情况下，处在能量较高轨道上的电子也可能自发地跑到能量较低的轨道上，也就是说，原子自发地产生从较高能级到低能级的跃迁，这叫做自发跃迁。在自发跃迁时，就会将多余的能量释放出来。释放能量的形式有二：一种是变为热能，叫做无辐射跃迁；一种是以光的形式辐射出来，叫做自发辐射。物质的自发辐射发光，就是我们平常所看到的普通光。自发辐射光的频率取决于两个能级的能量差，自发辐射发光的特点是处于高能级的各个原子都独立地、自发地跃迁，彼此无关。不同的原子可能是在不同的能级之间发生跃迁，可能有各种各样的频率。即使有些原子是在相同的能级间实现跃迁，因而发光频率相同，但是它们发出的光在振动方向和振动相位上也是杂乱无章的。一切自然光，如阳光、灯光、火光，都属于自发辐射发光。

2.受激吸收。一个处于低能级的原子，当有一个频率为的外来光子逼近它时，这个原子便有可能吸收光子的能量，而跃迁到高能级去，也就是说，原子中个别的电子吸收外界能量而跑到离核较远的轨道上去，从而使自己的能量有所增加。这个过程就叫做光的受激吸收。

3.受激辐射。一个处于高能级的原子，当有一个频率的外来光子福近它时，这个原子受到光子的刺激，便有可能从高能态跃迁到低能态，同时辐射出能量频率的光子来，就是说，原子中处于能量较高轨道上的电子，在外界入射光的刺激下被迫地跃迁到能量低的轨道上，因而发出光来。这个过程就叫做光的受激辐射。由于受激辐射的光子是受外来光子的刺激而产生的，因此它与外来光子一模一样，不仅频率相同，而且传播方向、振动方向和振动相位都完全是一致的。这样，在一个外来光子的刺激下，将有两个完全相同的光子辐射出来。如果说外来光子为入射光的代表，那么，输出光波就增加了1倍，即光波的振幅被放大了。

上述的光的自发辐射、受激吸收和受激辐射，实际上是同时存在的。在通常原子正常能级分布情况下，由于低能级上的原子数目较多，所以总是以光的受激吸收占优势，因而光总是衰减的。要获得光的放大，必须设法使光的受激辐射占优势，也就是说，要使原子的能级分布一反常态，使处于高能级的原子数目大大超过低能级的原子数目，这种分布状态叫做粒子数反转分布。

要实现受激光发射，必须使高能级上的粒子数目大于低能级上的粒子数目，即使原子处于粒子数反转分布。为此，人们采用外界刺激如光激励、放电激励、化学激励等方法，给物质加以能量，来把处于低能级的原子激发到高能级上去。通常，人们采取多能级体系实现粒子数反转，进行光激励而达到光波的放大。

激光的产生——光的受激发射和放大都是在它的“摇篮”里实现的，这“摇篮”就是激光器。

激光器基本上是由三个部分组成：第一部分是用于产生受激发射的工作物质，即能形成粒子数反转分布的物质，称为激活物质或激光物质，它可以是固体、**或气体；第二部分是能源激励装置，它给工作物质以刺激的作用，此作用被称为“泵浦”，即通过一定的方式向工作物质输入能量，激励工作物质达到粒子数反转状态；第三部分是光学谐振腔，它是由两块光学反射镜按一定方式组合而成的，工作物质就放置在两块反射镜之间。谐振腔的作用，是使工作物质发出的受激光在两块反射镜之间多次往返，从而在腔内形成持续振**，不断激励工作物质而引起光放大。

在光泵浦作用下谐振腔内形成激光的情况，当用泵浦光去照射工作物质时，处在低能级上正常分布的原子被激发到了高能级上。能级的自发辐射能力强，原子被激发到此能级后总是力图自发跃迁到低能级上去，因此在高能级上停留的时间很短，即在能级上寿命很短，很快就跃迁到原子寿命长的能级，此能级称为亚稳态能级。这样，在亚稳态能级与低能级之间形成了粒子数反转。但是，原子处于亚稳态能级上也是不稳定的，它可以自发跃迁到低能级而辐射出频率的光子。其中，不沿谐振腔轴线方向运动的光子，很快通过谐振腔的侧面射出腔外；只有那些沿着轴线方向运动的光子，可以在谐振腔内继续前进。这个光子如果在半路上碰到一个处于亚稳态能级上的原子，就会使之发生受激辐射，产生出一个完全相同的新光子。这两个光子继续沿轴线方向运动，可能又碰到另外的亚稳态原子，激发它们产生受激辐射，从而光子数进一步增加。这样一来，不断产生受激辐射而形成放大的光子流，射到谐振腔一端的部分反射镜上，再被反射回谐振腔中，又继续沿轴线方向往反射镜运动。在运动过程中，继续产生上述连锁反应，激发出许许多多的光子，遇到反射镜又折回来朝部分反射镜运动。光子流就这样在谐振腔内的两个反射镜之间来回反射，并不断得到加强。谐振腔的作用是，使光通过工作物质而增加的光子数大于由于各种因素而损失的光子数，使光不断来回反射并不断得到放大，形成光振**。这样被放大了的光，可以部分地通过，于是放射出一束笔直的强光束——激光。

从激光的形成原理，可以清楚地理解前述的激光的许多特点是如何形成的。首先，激光器放射出来的激光频率主要取决于高、低能级能量差，而这一数值是由微观粒子本身性质确定的，因而激光单色性好。其次，激光是受激辐射形成的，其所有的光子都是由同样光子激发出来的，频率、传播方向、振动相位和振动方向均完全一致，因而激光相干性好。再者，由于谐振腔的巧妙作用，只允许沿轴线方向的光得到放大并发射出来，因此激光束具有高度的方向性，而且发散角很小，发射出来的光能量集中，具有极高的亮度。