1917年爱因斯坦提出“受激辐射”的概念,奠定了激光的理沦基础。1958年美国科学家肖洛和汤斯发现了一种奇怪的现象:当他们将闪光灯泡所发射的光照在一种稀土石英晶体上时,晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。由此他们提出了“激光原理”,受激辐射可以得到一种单色性、亮度又很高的新型光源。

假设在石英晶振中,对应于能态E₂的集居数为N₂对应于能态E₁的集居数为N₁,一个平面波对应的光子通量正沿着物质的轴向Z传播。由于受激吸收和受激辐射而产生的光子通冕的改变为:dF=oF(N₂-N₁)dZ

它表示:如果N2>N1,则dF/dZ>0。石英晶振起放大作用。如果N2<N1, 则dF/dz<0,石英晶振起衰减作用。在热平衡条件下,各能态的集居数是按玻尔兹曼分布,N2<N1所以,晶振总是以吸收为主。如果在特定情况下N2>N1。该石英晶体的受激辐射作用大于受激吸收作用,该物质就可以产生更多的光子通量而作为光放大器。这种特殊状态称之集居数反转,指与通常状态的集居数分布不同。称这种具有集居数反转状态的物质为激光工作物质。

只有在外界的激励或泵浦下,才能使石英晶振,贴片晶振处于集居数反转状态,这种激励或泵浦过程是光放大的必要条件。在集居数反转的状态下,光沿着工作物质的轴向Z传播,能使光子通量增加, 即由于受激辐射而得到放人,这个放大过程受到工作物质的限制,显然工作物质越长,光子通量增加越多。但工作物质的长度不能无限增长,为了让有限长度的工作物质得到充分的利用,就引]人两个反射镜构成谐振腔。

工作物质就在腔内, 光在两个反射镜间反射时,多次通过工作物质,每通过一次就放大一次,光强就增加一次;实际上,光强的增加正是由于高能态原子向低能态受激跃迁的结果。也就是说,光放大正是以集居数翻转的减少为代价的,发出的激光越强,工作物质的集居数反转就变得越小,直至不能实现光的受激辐射放大为止,这时,谐振腔内的激光振荡也就停止。

由此可见,产生激光振荡的条件有两个:一是存住集居数的反转;二是光在腔内往返一次增益大于损耗。只要有集居数反转的工作物质就能实现光的受激辐射放大,只要加上反射镜构成谐振腔,相当于引|进正反馈,就能实现激光振荡,从而输出更强的激光。所以说激光器的最基本部分应该是一个受激辐射光振荡器,或受激辐射再生放大器。