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通常情况下，在热平衡态的介质中，粒子数的能量分布服从玻尔兹曼分布律，大多数的颗粒处于较低能级，所以吸收大于辐射。如果有一种特定的情况，多数粒子处于高能级状态，那么将实现辐射大于吸收，此时便会产生更多的光子而实现了光的放大，这种特殊的情况被称为粒子数反转，具有粒子数反转状态的材料被称为激光工作物质，也叫增益介质或激活介质。当然，这种特殊状态是不能在热平衡条件下实现的，必须采取措施，使低能级的颗粒被抽到高能级。对于激光介质，有亚稳态能级，原子在该能级上，较稳定，寿命较长，容易积累粒子。激光工作物质根据能级分类可以分为三或四能级系统。三能级系统包括产生激光的下能级 ，亚稳态能级 是高能级， 是抽运高能级。在粒子泵浦四能级系统产生的激光从比 更低的基态能级 开始的，激光的下能级不是最低能级，而是激发态能级，粒子在此能级寿命很短，在室温下，基本上是空的，粒子在上下能级间很容易实现粒子数反转。因此对于激励能量来说，四能级系统比三能级系统所需的能量要小很多，四能级系统材料是更容易产生激光的材料。
图2.1 增益介质的能级结构图
从以上分析可以得出，为了实现光放大，首先，要有一个激励源，把介质的粒子不断地从低能级抽送到高能级，其次，需要有适当的介质，能在外界激励下实现粒子数密度翻转状态。
激光的形成并不是满足上述两个条件难么简单，因为高能级粒子发射光子有两种途径：既可以通过受激辐射，也可以通过自发辐射。如果自发辐射占主导地位，那么发出的光将不是相干光，该光源就是一个普通光源。要形成激光，要使受激辐射占主导地位，即实现 ，从该式可以看出，只有加大增益介质里所传播的光能密度可以实现，显然工作物质越长，光子通量越多，光能密度越大，因此可以通过加长增益介质长度的办法，来实现增益介质中光能密度的增大，由于技术和实际限制，不可能把介质做的很长很长。如果能使增益介质里光的手机放大作用不仅仅是单次，而是不断重复，便可解决该问题，这就需要一个光学谐振腔。
在增益介质的两端分别放置一块反射镜，就形成了最简单的谐振腔，光在两个反射镜之间来回反射时，多次经过增益介质，光的能量密度不断增强，从而使增益介质的受激辐射概率远远大于自发辐射概率，占绝对优势。实际上，光强的增加就是由于粒子数反转状态的不断减小，激光越强，增益介质的粒子数反转就越小，一直到不能实现受激辐射了停止，此时，谐振腔内的振荡也停止了。
总体来说，要产生激光，必须具备以下三个条件：
（1）有增益介质能产生放大作用，激活粒子（原子、分子或离子）要有适宜发生受激辐射的能级结构：
（2）有外界激励源，将低能级的粒子抽送到高能级，实现高能级与低能级之间的粒子数反转；
（3）有光学谐振腔，增加增益介质的工作长度，且还能控制光束的传播方向，选择受激辐射光频率，提高发射光的单色性。
2.4 典型的激光器
自第一台红宝石激光器之后，激光器的发展十分迅猛，各种各样的激光器接二连三地被研发出来。分类大致如下：
1、根据工作波段分，分为可见光激光器，红外和远红外激光器，紫外和真空紫外激光器，X射线激光器。
2、根据激光输出的持续时间，可分为连续激光输出、准连续激光输出、脉冲激光器，超短脉冲激光器。