На рис. 2 представлена общая схема участвующих в генерации энергетических уровней лазеров этого типа [11 - 14]. Переход g—>2 является разрешённым, а переход g—>1 электродипольно запрещён. Таким образом, пользуясь борцовским приближением, можно предположить, что сечение перехода g—>2 за счёт электронного удара значительно больше, чем сечение перехода g—>1. Чтобы создать достаточную населённость верхнего лазерного уровня, высокая, как правило, скорость излучательного перехода 2—>g должна быть уменьшена до значения, сравнимого со скоростью излучательного перехода 2—>1. Это означает, что плотность атомов должна быть достаточно высокой, чтобы стал возможным захват излучения на переходе 2—>g. Поскольку переход 1—>g является запрещённым, лазер может работать только в импульсном режиме с длительностью импульса порядка или короче времени жизни уровня 2. Релаксация обычно происходит при столкновениях со стенками и вследствии межатомной дезактивации. Соответствующая скорость релаксации устанавливает верхний предел частоты повторения импульсов лазера.

Рис.2 . Общая схема энергетических уровней и излучательных (прямая стрелка) и безизлучательных (волнистая стрелка) переходов лазера на парах металла, работающего в режиме самоограничения, заштрихованной стрелкой обозначен электронный удар.

На рис.3 показаны участвующие в процессе генерации уровни энергии двух наиболее важных лазеров указанной категории - лазеры на парах меди и золота. С точки зрения электронной конфигурации уровни Cu и Au весьма схожи. Поэтому в дальнейшем будет рассмотрен только атом меди. Основное состояние 2S1/2 атома меди соответствует конфигурации 3d104s. Когда внешний 4s электрон забрасывается на следующий, более высокий 4р-уровень, заселяются возбуждённые уровни 2P1/2 и 2P3/2. Эти уровни сильно связаны с основным состоянием дипольно разрешённым переходом. Уровни 2D3/2 и 2D5/2 соответвуют конфигурации Зd94s2, имеющей более низкую энергию, а переходы 2D—>2S1/2 дипольно запрещены. Атомы меди из состояния 2р быстро (время жизни порядка 7нс) релаксируют посредством спонтанного излучения в основное состояние 2S1/2, в то время как время релаксации уровней 2D намного больше (около 0,5мкс), поскольку этот переход разрешён слабо. Однако при температурах, которые используются в медном (Т = 1500°С) и золотом (Т = 1650°С, т.к. золото является менее тягучим веществом) лазерах, давление паров достаточно высокое( ~ 0,1 мм.рт.ст.), так что вследствие захвата излучения релаксации по каналу 2p—> 2S1/2 не происходит. Таким образом, единственный эффективный канал релаксации проходит через состояние 2D. Релаксация населённости уровня 2D осуществляется посредством дезактивации на стенках, если внутренний диаметр трубки невелик (<2см). Для трубок больших размеров было показано, что важную роль играет сверхупругое столкновение е + Cu(2D)—>e + Cu(2s1/2). В обоих случаях соответствующее время релаксации очень большое (несколько десятков микросекунд). Отсюда следует, что генерация на парах меди может осуществляться как на переходе 2P3/2—> 2D5/2 (зелёный), так и на 2P1/2—>2D3/2 (жёлтый). Генерация в парах золота происходит в основном на красном переходе (2P1/2—>2D3/2) поскольку УФ - переход (2P3/2—> 2D5/2) оканчивается на состоянии 2D5/2, которое при рабочей температуре в значительной степени заселено.