玻爾的原子模型認為，原子核外的電子在自然狀態下會處於能量最低的基態。能量較低的狀態比較穩定,所以任何物理系統自發變化進行的方向都是使體系能量降低，原子中的電子也是如此。反過來，要使處於基態的電子從低能級態（）躍遷至高能級激發態（），需要受外來電子或光子激發。
通常，外來電子是通過碰撞核外電子實現能量的傳遞，而外來光子則通過被核外電子共振吸收來實現能量的傳遞。圖1顯示的就是光子被共振吸收的過程，也叫受激吸收；但激發態不是真正的穩態，處於該激發態能級的電子會很快地再次躍遷至低能級並以光子的形式釋放能量，如圖2所示，稱為自發輻射。例如，普通光源（白熾燈、日光燈等）的發光是就是原子核外電子在不斷進行自發輻射的過程。但眾多原子自發輻射並非同時進行，而是彼此獨立的，因此輻射出來光的頻率、相位、振動方向也不相同。所以自發輻射產生的光是非相干的。
要產生相干的雷射，需要三個條件。
第一個條件是「受激輻射」。受激輻射產生的光子會與外來光子具有相同的特徵：它們的頻率、相位、振動方向均相同，是相干的，如圖3所示。低能級的電子通過外來電子或光子的撞擊來吸收外面的能量，從而達到激發態。然而，激發態並不是位於真正意義的穩態，所以處於激發態的電子還要以釋放光子的形式放出能量。釋放能量的形式有兩種：一種是自發輻射，另一種是受激輻射。自發輻射是沒有外界誘因的情況下，高能級電子掉到低能級來，然後放出光子的行為。受激輻射則不同，當電子在高能級時，在沒有造成自發輻射之前，假如有另外一個光子進來，而且這個光子的能量剛好滿足這個高能級和低能級之間的能量差距，那麼就會激發高能級的電子往下掉，這基本上是靠著一種類似「共振」的行為，同時釋放光子，而且釋放光子的性質與入射光子一樣。我們把這個過程稱為受激輻射。關於這點，教師可以用一個非常形象的例子給學生來解釋：處於激發態的電子就像周末呆在家裡學習的學生，若沒有外界因素的影響，是能夠學得比較久的，只有學習累了，才會出去走走，好比電子的自發輻射。但是在學習的過程中，如果有同學來找這學生出去玩，那麼該生就很可能立刻會隨他出去，好比電子的受激輻射。受激輻射產生的光子有三個重要的特性：第一，就是一個光子進來，兩個光子出去，就會起放大的作用。第二，振動和運動方向是一樣的，受激產生的光子的方向由入射光子決定。第三，光子不僅同向，而且同步，以光波的觀點來看的話，就是同相的，是相干光。
第二個條件是「粒子數反轉」。在正常的情況之下，低能級上的電子很多，高能級上的電子比較少。但是，要產生雷射，需要電子能夠源源不斷地從高能態躍遷下來，必須要求高能級的電子數比低能級多才行，這樣的分布狀態稱為粒子數反轉。我們把給雷射工作物質提供能量（通過光照、放電等）使其形成粒子數反轉的過程稱為「泵浦」，這過程如同把水從低處抽往高處。粒子數反轉分布後，受激輻射會佔優勢。
第三個條件是需要「亞穩態」。在原子構造裡，不同材料電子的激發態時間是不同的，能夠允許電子較長時間存於激發態的材料才能作為雷射工作物質，其對應的激發態稱為亞穩態。處於一般激發態的電子發生自發輻射的時間是10-8秒量級，而處於亞穩態激發態電子的發生時間是10-3秒量級(相差105倍)，雖然還是不如基態穩定，但是比一般激發態穩定得多。因為亞穩態的時間數量級大，所以電子不僅可以等待外來的光子激發它才放出光子，還可以造成足夠多的粒子數反轉。只有亞穩態的工作物質，才能實現粒子數反轉，如果原子裡面沒有這樣的亞穩態，那麼這個材料是沒有辦法製造雷射的。
具備了上述條件，雷射還需要一個能夠將光不斷放大和單向輸出的結構。如圖4所示，這是最基本的一個雷射結構。在管子裡面有一些能夠產生雷射的原子（雷射工作物質），在管子裡面的兩端，各加上一個鏡子，左邊的鏡子是全反射的，右邊的鏡子是高反射的（約99%），會故意漏少量出去。首先在外面通過「泵浦」給它傳輸能量，會把這個原子裡面的某些低能級電子打到高能級去，隨後輻射出來的光子會遇到另外一些原子裡亞穩態的電子，就會激發這些電子做相同行為，即受激輻射。某個方向的光子會由一變二，由二變四，不斷放大。假如它的方向不是與鏡子垂直軸線方向的話，這些光子便會逸出腔外。有些光子剛好是沿軸線運動，那麼光子放大後碰到鏡子後會反射，來回不斷地運動，得到雪崩式的放大。光束放大直到某個臨界值，經高反射鏡輸出得到的光便是雷射。
因此，雷射的第一個特性便是具有很強的方向性，其方向一定在圖5所示的橫軸上。第二個特性便是經過來回不斷放大的雷射強度非常高。第三個特性便是單一頻率，由兩個能級間的能量差決定。因為雷射的產生特性決定了其頻率、相位、振動方向和傳播方向均一致，所以具有相干特性。
作者單位：中國人民大學附屬中學
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