在利用波尔原子模型讨论光与物质相互作用时，有三种作用过程：吸收、自发辐射和受激辐射。我们一般将物质简化为一个只有基态和激发态的二能级系统，用N1表示单位体积内处于基态的原子集居数，N2表示单位体积内处于激发态的原子集居数，二者之和为常数。光与物质相互作用的三种过程都会改变基态和激发态的集居数。比如，通过吸收光，基态集居数减少，激发态集居数增加；单位时间内N1的减少量正比于N1与光强(Intensity)的乘积，比例系数用B表示。自发辐射会减少N2，单位时间内的减少量正比于N2，比例系数用A表示。A通常称为自发辐射系数，量纲为秒的倒数，描述了单位时间内原子从激发态跃迁到基态的几率。由于不受入射光的影响，自发辐射更能反映物质本身的性质，因此可以用A的倒数（量纲为秒）来定义激发态的寿命，有时也称为上能级寿命(Upper-level life time)。受激辐射导致N2减少，单位时间内的减少量正比于N2与光强的乘积，比例系数同样是B。
上面这段文字描述可以总结为三个非常简洁的常微分方程，用以描述当吸收、自发辐射和受激辐射这三种过程发生时，基态和激发态的集居数在单位时间内的变化。这三个方程被称为速率方程。显然，吸收和受激辐射对应的速率方程非常相似，都与光强成正比，因此有些教科书上也把吸收称为受激吸收。
1917年，爱因斯坦在理论上预言了受激辐射的存在，并利用玻尔兹曼分布和普朗克的黑体辐射公式，推导出了速率方程中系数A和B的定量关系。
在热平衡状态下，各个能级上的原子集居数满足玻尔兹曼分布，因此基态的集居数远远大于激发态的集居数。当光入射到处于热平衡状态下的物质时，吸收、自发辐射和受激辐射同时发生，但由于基态集居数大于激发态集居数，净效果是光被物质吸收、基态集居数减少、激发态集居数增加；从能量转换的角度来看，通过对光吸收，物质内更多原子跃迁到激发态，存储了能量。从速率方程可知，入射光越强，吸收也越多；但随着光强的不断增加，越来越多的原子由基态跃迁到激发态，导致激发态集居数越来越接近基态的集居数，那么受激辐射和自发辐射会随之增强，吸收会随之减弱，净效果则是物质对光的吸收会随着光强的增加而逐渐饱和。换句话说，物质本身的储能能力是有限的；作为二能级系统，通过吸收光，最极端的情况是使激发态的集居数接近等于基态的集居数。达到这一条件后，物质对光不再吸收。
这种吸收随入射光的光强增加而发生饱和的现象很常见，比如超短脉冲激光器中的关键部件—可饱和吸收体—就是利用了该原理。值得注意的是，光和物质相互作用的洛伦兹模型并不能解释吸收饱和现象。在学习光学时，要特别注意物理模型的适用范围，这往往由该模型的假设所决定。
为了放大入射光，需要受激辐射过程强于吸收过程，这进一步需要激发态的集居数超过基态的集居数，这种现象被称为集居数反转(Population Inversion)。由于在热平衡状态下，激发态的集居数总是少于基态的集居数，所以为了实现集居数反转，必须让物质远离平衡态。从前面的讨论得知，物质吸收光后，会远离平衡态；但是，对于一个二能级系统，通过吸收光不可能实现集居数反转。解决问题的思路是：通过引入更多的能级，将参与吸收光的两个能级和用来实现集居数反转的两个能级区分开，这样就能够利用光吸收，获得集居数反转，实现对特定频率（或者波长）入射光的放大。
讨论光放大比较常见的有四能级模型和三能级模型，我们这里仅以四能级模型为例。下图中，四个能级分别标为0、1、2和3，在热平衡状态下，绝大多数原子处于能级0。能级0和能级3的作用在于通过吸收泵浦(Pump)光来实现能级1和能级2之间的集居数反转。具体过程如下：当我们将波长为808纳米的泵浦光入射到具有四能级系统的激光材料上时，像Nd:YAG或者Nd:YLF上时，大量的原子吸收光后，从能级0跃迁到能级3。能级3比较特别，寿命很短，处于该能级的原子能够在不发生任何辐射地情况下快速地跃迁到能级2（即热弛豫过程）。能级2的寿命很长，发生自发辐射的概率很低，所以原子能够在能级2上积聚；而能级1类似于能级3，寿命也很短，原子一旦处于能级1就会很快跃迁到能量更低的能级0，而且不发生任何辐射。正是因为能级1、2和3具有如此特殊的寿命，外加泵浦光将原子源源不断地从能级0抽运到能级3，这样才会在能级1和2之间形成集居数反转。如果有波长为1064纳米的光入射到该物质，那么能级1和2之间的受激辐射远远强于自发辐射与吸收，从而实现对1064纳米光的放大，这正是光放大器的工作原理。由于该物质为被放大的光提供增益(Gain)，因此被称为增益介质 (Gain medium)。
在该四能级系统中，只要808纳米泵浦光存在，即使没有从外面入射的波长为1064纳米的光，能级1和2之间的自发辐射也会产生1064纳米的光，但这种由自发辐射产生的光可能沿着很多方向传输，类似于白炽灯发出的光。为了将发出的光限制在某一个特定的方向上，可以将这种光放大器放置在一个光学谐振腔中。一个简单的谐振腔只需要两个平行放置的平面镜，其中一面镜子100%反射光，另外一面反射一部分光、透过一部分光。只有沿着垂直于镜面的方向传输的自发辐射光才能在谐振腔里被不停地反射，经过放大器被放大，并且通过那个透过部分光的平面镜，向腔外输出准直性极好的光束。这就是激光器的工作原理。总结起来，一台激光器主要包括三个关键器件：泵浦源，负责提供能量；增益介质，通过集居数反转储存由泵浦源提供的能量；谐振腔，选择合适的自发辐射作为种子光，让其不断地经过增益介质，通过受激辐射被放大，从而将增益介质储存的能量通过激光的方式输出到腔外。激光光束不仅具有极佳的准直性，而且在垂直于光传输方向的横截面上，不同位置具有相同的相位。这样的光束可以通过合适的透镜聚焦，得到衍射极限尺寸的光斑。
为了向没有多少光学背景的公众解释激光器的工作原理，德国汉堡大学的一位意大利博士生，GiulioRossi，制作了18幅漫画，用以详细描述激光产生的具体过程。在征得他本人同意后，我将这些漫画放在本课程中。漫画里的激光增益介质是一个三能级系统，地面为基态，云层为激发态；地球为环形谐振腔，绿色气泡和黄色气泡分别代表泵浦光与产生的激光，气球代表电子。希望这些漫画有助于读者更为形象地理解激光器的工作原理。
