電子的運動狀態可以分為不同的能級，電子從高能級向低能級躍遷時，會釋放出相應能量的電磁波（所謂自發輻射）。一般的發光體中，這些電子釋放光子的動作是隨機的，所釋放出的光子也沒有相同的特性，例如鎢絲燈發出的光。
當外加能量以電場、光子、化學等方式注入到一個能級系統並為之吸收的話，會導致電子從低能級向高能級躍遷，當自發輻射產生的光子碰到這些因外加能量而躍上高能級的電子時，這些高能級的電子會因受誘導而遷到低能級並釋放出光子（所謂受激輻射），受激輻射的所有光學特性跟原來的自發輻射包括：頻率、相位、前進方向等會是一樣的，這些受激輻射的光子碰到其他因外加能量而躍上高能級的電子時，又會再產更多同樣的光子，最後光的強度越來越大（即光線能量被放大了），而與一般的光不同的是所有的光子都有相同的頻率、相位(同調性)、前進方向。要做到光放大，就要產生一個高能級電子比低能量級電子數目多的環境，即居量反轉，這樣才有機會讓高能級電子碰上光子來釋放新的光子，而不是隨機釋放。
一般雷射產生器有三個基本要素：激發來源：又稱「泵浦源」，把能量供給低能級的電子，激發使其成為高能級電子，能量供給的方式有電荷放電、光子、化學作用…。增益介質：被激發、釋放光子的電子所在的物質，其物理特性會影響所產生雷射的波長等特性。共振腔：是兩面互相平行的鏡子，一面全反射，一面半反射。作用是把光線在反射鏡間來回反射，目的是使被激發的光多次經過增益介質以得到足夠的放大，當放大到可以穿透半反射鏡時，雷射便從半反射鏡發射出去。因此，此半反鏡也被稱為輸出耦合鏡。兩鏡面之間的距離也對輸出的雷射波長有著選擇作用，只有在兩鏡間的距離能產生共振的波長才能產生雷射。
在一個二級系統中，一個電子自低能級向高能級躍遷和自高能級向低能級躍遷的概率是一樣的。為了達到光放大的作用，在高能級必須有更多的電子，使得受激輻射發生的概率更高。這個狀態稱為居量反轉。出於這個原因，所以以光子激發的二級系統是無法實現雷射的，所以雷射一般是以通過三級系統和四級系統得到實現。在三級系統中，電子受激躍遷到高能級後，便很快轉為亞穩態。由此雷射媒介被激發為高能態，居量反轉得到實現。