在一個原子體系中，總有些原子處于高能級，有些處于低能級。而自發(fā)輻射產生的光子既可以去刺激高能級的原子使它產生受激輻射，也可能被低能級的原子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子體系的相互作用中，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收總是同時存在的。如果想獲得越來越強的光，也就是說產生越來越多的光子，就必須要使受激輻射產生的光子多于受激吸收所吸收的光子。怎樣才能做到這一點呢？我們知道，光子對于高低能級的光子是一視同仁的。在光子作用下，高能級原子產生受激輻射的機會和低能級的原子產生受激吸收的機會是相同的。這樣，是否能得到光的放大就取決于高、低能級的原子數(shù)量之比。若位于高能級的原子遠遠多于位于低能級的原子，我們就得到被高度放大的光。但是，在通常熱平衡的原子體系中，原子數(shù)目按能級的分布服從玻爾茲曼分布率。因此，位于高能級的原子數(shù)總是少于低能級的原子數(shù)。在這種情況下，為了得到光的放大，必須到非熱平衡的體系中去尋找。

　　所謂非熱平衡體系，是指熱運動并沒有達到平衡、整個體系不存在一個恒定溫度的原子體系。這種體系的原子數(shù)目按能級的分布不服從玻爾茲曼分布率，位于高能級上的原子數(shù)目有可能大于位于低能級上的原子數(shù)目。這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉”。如何才能達到粒子數(shù)反轉狀態(tài)呢？這需要利用激活媒質。所謂激活媒質(也稱為放大媒質或放大介質），就是可以使某兩個能級間呈現(xiàn)粒子數(shù)反轉的物質。它可以是氣體，也可以是固體或液體。用二能級的系統(tǒng)來做激活媒質實現(xiàn)粒子數(shù)反轉是不可能的。要想獲得粒子數(shù)反轉，必須使用多能級系統(tǒng)。