图一  碳原子示意图

电子可以通过吸收或释放能量从一个能阶跃迁到另一个能阶。例如在电子吸收了一个光子，它便有可能从一个较低的能阶跃迁到一个较高的能阶（如图二a）。同样的，一个位于高能阶的电子也可通过发射一个光子跃迁到一个较低能阶（如图二b）。在这些过程中，电子吸收或释放的光子能量总是与这两个阶层的能量差相等。由于光子能量决定了光的波长，因此。吸收或释放的光具有固定的颜色。

图二 原子内电子的跃迁过程

当原子内所有电子处于可能的最低能阶时，整个原子的能量最低，我们称原子处于基态。图一显示了碳原子处于基态时电子的排列状况。当一个或多个电子处于较高的能阶时，我们称原子处于受激状态。根据前面介绍跃迁可分为三种形式：

1. 自发吸收 - 电子通过吸收光子从低能阶跃迁到较高能阶(图二a)。
2. 自发辐射 - 电子自发地通过释放光子从高能阶跃迁到低能阶(图二b)。
3. 受激辐射 - 光子射入物质诱发电子从高能阶跃迁到低能阶，并释放光子。入射光子与释放光子有相同的波长和相位。此波长应等于两个能阶的能量差。一个光子诱发一个原子发射一个光子，最后就变成了两个光子（如图二c）。

图三   红宝石激光的示意图。

图四  粒子数反转的状态。

图五  普通灯光与激光的比较。

1. 激光基本上就是由第三种跃迁机制所产生的。图三所示红宝石激光的原理，它由一支闪光灯，激光介质和两面镜所组成。激光介质是红宝石晶体，当中有微量的铬原子。在开始时，闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。此时，有些电子会透过释放光子，回到较低的能阶。而释放出的光子会被位于激光介质两端的镜子来回反射，诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加。位在两端的其中一面镜子会把全部光子反射，另一面镜子则会把大部分光子反射，并让其余小部分光子穿过；而穿过镜子的光子就构成我们所见的激光。
   
   产生激光还有一个巧妙之处，就是要实现所谓粒子数反转的状态。经红宝石激光为例（图四），原子首先吸收能量，跃迁至受激态。原子处于受激态的时间非常短，大约10^-17秒后，它便会落到一个称为亚稳态的中间状态，原子停留在亚稳态的时间很长，大约是10^-13秒或更长，的时间。电子长时间留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目，此现象称为粒子反转。粒子数反转是产生激光的关键，因为它使透过受激辐射由亚稳态回到基态的原子，比透过自发吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证了介质内的光子可以增多，以输出激光。
   激光透过受激辐射产生，有以下三大特性（图五）：激光是单色的，在整个产生的机制中，只会产生一种波长的光。这与普通的光不同，例如，阳光和灯光都是由多种波长的光合成，接近于白光。。 激光是相干的，所有的光子都有相同的相位，相同的偏振，它们叠加起来便产生很大的强度。而在日常生活中所见的光，它们的相位和偏振是随机的，相对于激光，这些光就很弱。
2. 激光的光束很狭窄，并且十分集中，所以有很强的威力。相反，灯光分散向各个方向传播，所以强度很低。