利用受激輻射過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)相同狀態(tài)光子數(shù)目呈幾何級(jí)數(shù)遞增，及光場(chǎng)密度和光強(qiáng)與單位體積內(nèi)的光子數(shù)或光子數(shù)密度成正比關(guān)系，該過(guò)程本質(zhì)上是光的相干放大過(guò)程。

這一條件發(fā)生的前提條件是要有足夠多的微觀(guān)粒子處在激發(fā)態(tài)，那么究竟需要多少粒子處在激發(fā)態(tài)才能實(shí)現(xiàn)光的相干放大呢？通常情況下物質(zhì)對(duì)光總是呈現(xiàn)吸收狀態(tài)而不是放大狀態(tài)。

放大和吸收

在熱平衡的條件下，微觀(guān)粒子在單位時(shí)間內(nèi)吸收和發(fā)射的光子數(shù)相等。

• 當(dāng)吸收光子數(shù)大于發(fā)射光子數(shù)時(shí)，物質(zhì)對(duì)射入光呈現(xiàn)出凈利吸收的狀態(tài)。
• 當(dāng)發(fā)射光子數(shù)大于吸收光子數(shù)時(shí)，物質(zhì)對(duì)射入光呈現(xiàn)出光放大的狀態(tài)。

顯然我們希望物質(zhì)對(duì)入射光呈現(xiàn)出放大的狀態(tài)，這稱(chēng)為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。物理定義：高能級(jí)上平均分配到每個(gè)簡(jiǎn)并能態(tài)的粒子數(shù)密度大于低能級(jí)的相應(yīng)值，粒子數(shù)放大是實(shí)現(xiàn)光放大的必要條件。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

我們把將微觀(guān)粒子激勵(lì)到激發(fā)態(tài)的技術(shù)手段稱(chēng)為泵浦Pump（激勵(lì)），必須要有有合適的泵浦方式才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

但是通過(guò)泵浦不斷地將粒子激勵(lì)到激發(fā)態(tài)，但是激發(fā)態(tài)的壽命可能非常短，我們始終無(wú)法讓粒子在激發(fā)態(tài)上大量聚集，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的第二個(gè)條件：選擇具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)，如果激發(fā)態(tài)是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的話(huà)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)則容易的多。

紅寶石激光器的工作物質(zhì)是Cr³⁺:AL₂O₃，通過(guò)閃光燈的照射我們可以使Cr離子，在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)E₂上聚集，與基態(tài)E₁能級(jí)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。