Как уже отмечалось, генерация в лазере достигается за счет индуцированного излучения на некотором переходе между уровнями квантовой системы. Рисунок 1 демонстрирует возможные переходы в простейшей двухуровневой системе, как вызванные полем (поглощение и индуцированное излучение), так и не зависящие от него (спонтанное излучение и безизлучательная релаксация).

В отсутствие внешнего поля спонтанное излучение и безизлучательные релаксационные процессы определяют время жизни частицы в возбужденном состоянии ( и на рис. 1) Из-за конечности этого времени (и из-за других причин, например доплеровского смещения частоты для движущихся микрочастиц) линия излучения, соответствующая переходу, оказывается уширенной [Советская энциклопедия, 1969].Обозначенные на рисунке 1 вероятности имеют вид и зависят как от свойств квантовой системы (через коэффициенты Эйнштейна B21 и B12), так и от приложенного поля - объемной плотности его энергии и совпадения частоты поля с центральной частотой перехода , что учитывается специальной функцией . При одинаковой степени вырождения уровней B21 = B12 , W21 = W12 [Советская энциклопедия, 1969]. При этом, чтобы вынужденное излучение преобладало над поглощением, то есть число переходов вниз W21n2 было больше числа переходов вверх W12n1, необходимо, чтобы n2 > n1: на верхнем уровне частиц должно быть больше, чем на нижнем.Среда, для которой выполняется условие n2 > n1, называется средой с инвертированной населенностью, и условие инверсии n2 > n1 является необходимым условием для усиления волны средой и работы лазера.Ясно, что при термодинамическом равновесии инверсия существовать не может, поскольку, согласно закону Больцмана, и на верхнем уровне частиц меньше, чем на нижнем. Поэтому для получения инверсии среду нужно увести от состояния равновесия.Инверсия населенностей в лазерах достигается в результате совместного действия процессов заселения (накачки) соответствующих уровней и их дезактивации (очистки).Согласно рисунку 1, для достижения стационарной инверсии необходимо выполнение соотношения то есть произведение скорости накачки на время релаксации для верхнего уровня должно быть больше, чем для нижнего. Из этого следует, что предпочтительной является селективная накачка и что инверсия может быть достигнута не только за счет преимущественного заселения верхнего лазерного уровня, но и за счет высокой скорости очистки нижнего.Заселение уровней в лазерах может осуществляться [Карлов Н.В., 1988, Тарасов Л.В., 1981]: - за счет поглощения света (оптическая накачка). Подбирая источник света с соответствующим спектром, можно обеспечить высокую селективность накачки. Наиболее успешно этот вид накачки используется в твердотельных (на кристаллах и стеклах) лазерах и в лазерах на красителях.- в неупругих столкновениях атомов и молекул со свободными электронами, при которых часть энергии электрона идет на возбуждение атома или молекулы. Свободные электроны могут создаваться или в газовом разряде, или вводиться в газ в виде пучка, сформированного в ускорителе.- за счет неупругих столкновений атомов рабочего вещества с возбужденными атомами или ионами вспомогательного газа с передачей энергии возбуждения от них рабочему веществу. В некоторых типах столкновений передача энергии носит резонансный характер и достигается высокая степень селективности заселения уровней.- в процессе специально подобранных химических реакций (химическая накачка); при этом возбуждаются колебательные уровни молекул, причем возбуждение может быть селективным.- за счет нагрева (тепловая накачка). Этот метод используется для накачки колебательных уровней в молекулах, инверсия на переходах между которыми осуществляется за счет различных времен релаксации для верхнего и нижнего лазерных уровней при быстром адиабатическом расширении газа. На этом принципе основана работа газодинамических лазеров.Очистка возбужденных состояний осуществляется: спонтанным излучением; в столкновениях с электронами или атомами примесного газа, при которых энергия возбуждения передается от рабочего вещества электронам или атомам примеси; при адиабатическом расширении газа; в специально подобранных химических реакциях.Таким образом, среда с инверсией населенности способна усиливать световую волну. При коэффициенте усиления на единицу длины и длине среды l поданный на ее вход сигнал интенсивностью I1 будет усилен (при отсутствии насыщения) до значения на выходе; то есть таким образом может быть реализован оптический усилитель когерентного сигнала с коэффициентом усиления по мощности Чтобы превратить усилитель в генератор, необходимо организовать обратную связь. В лазерах она достигается при помещении активного вещества между отражающими поверхностями (зеркалами), образующими так называемый "открытый резонатор" за счет того, что часть излученной активным веществом энергии отражается от зеркал и опять возвращается в активное вещество (рис. 2). Следует отметить, что система из двух параллельных зеркал обладает резонансными свойствами - резонирует только на определенных частотах - и выполняет в лазере еще и ту роль, которую в обычных низкочастотных генераторах играет колебательный контур. Использование именно открытого резонатора (а не закрытого - замкнутой металлической полости - характерного для СВЧ диапазона) принципиально, так как в оптическом диапазоне резонатор с размерами (L - характерный размер резонатора, - длина волны) просто не может быть изготовлен, а при закрытый резонатор теряет резонансные свойства, поскольку число возможных типов колебаний становится настолько большим, что они перекрываются [Советская энциклопедия, 1969]. Отсутствие боковых стенок значительно уменьшает число возможных типов колебаний (мод) за счет того, что волны, распространяющиеся под углом к оси резонатора, быстро уходят за его пределы, и позволяет сохранить резонансные свойства резонатора при .