白熾燈、日光燈、高壓脈沖氙燈、激光燈的發(fā)光現(xiàn)象，都是光源系統(tǒng)中原子（或分子、離子）內(nèi)部能量變化的結(jié)果。原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)是發(fā)光現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，激光的產(chǎn)生，不外乎通過(guò)以下幾個(gè)過(guò)程和步驟：
一、激發(fā)
一般原子系統(tǒng)中，絕大多數(shù)的原子不是處于低能級(jí)的基態(tài)，而是處于高能級(jí)的激發(fā)狀態(tài)的原子數(shù)目，相比之下是非常少的。例如：在室溫（27～28℃）的情況下，紅寶石晶體中處于基態(tài)的鉻離子數(shù)目為激發(fā)態(tài)的1030倍，因此，紅寶石鉻離子基本上是處于基態(tài)的。如果要使這些處于基態(tài)的粒子產(chǎn)生輻射作用，首先必須把這些基態(tài)上的粒子激發(fā)到高能級(jí)去，從低能級(jí)到高級(jí)去的這一過(guò)程稱為激發(fā)或抽運(yùn)。這個(gè)吸收能量的過(guò)程，稱做光的受激吸收（圖4-26-4）。激發(fā)的方法很多，主要是給基態(tài)粒子外加一定能量，例如光照、電子碰撞、分解或化合以及加熱等�；鶓B(tài)粒子吸收能量后即被激發(fā)，例如紅寶石激發(fā)器就是脈沖氙燈照射的方法施加光能,使鉻離子從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)上。又如氦－氖激光器通過(guò)電子與氦原子碰撞，使氦原子獲得能量。氦原子通過(guò)碰撞又將能量傳給氖原子，氖原子獲得能量后從基態(tài)激發(fā)到高能級(jí)去�；瘜W(xué)激發(fā)器是用分解或化合的方法作為激發(fā)能源。由于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，在相同的外界條件下，原子從基態(tài)被激發(fā)到各個(gè)高能級(jí)去的可能性是不一致的。通常把原子從基態(tài)激發(fā)到某一能級(jí)上去的可能性，叫做該能級(jí)的“激發(fā)機(jī)率”。各能級(jí)的激發(fā)機(jī)率是不同的，有的很大，有的很小，這種機(jī)率取決于物質(zhì)自身的性質(zhì)。
二、輻射
原子（或分子、離子）總是力圖使自己的能量狀態(tài)處于基態(tài)上，被激發(fā)到高能級(jí)后的粒子，力圖回到基態(tài)上去，與此同時(shí)放出激發(fā)時(shí)所吸收的能量。基態(tài)是粒子能量最平衡最穩(wěn)定的狀態(tài)，從高級(jí)回到低能級(jí)去的過(guò)程稱為躍遷，躍遷時(shí)釋放的能量即輻射。躍遷的形式有以下幾種：
1、自發(fā)躍遷　
不受外界能量的影響，只是由于原子內(nèi)部運(yùn)動(dòng)規(guī)律所導(dǎo)致的躍遷稱為自發(fā)躍遷。這種躍遷釋放能量的形式又有兩種：一種是變?yōu)闊徇\(yùn)動(dòng)釋放能量，叫做無(wú)輻射躍遷；另一種是以光的形式將能量輻射出來(lái)，叫做自發(fā)輻射躍遷。自發(fā)輻射出來(lái)的光頻率γ，由發(fā)生躍遷的兩能級(jí)間之能量差所決定。 ?普通光源如白熾燈、日光燈、高壓水銀燈、氙燈等都是通過(guò)自發(fā)躍遷輻射產(chǎn)生光，這種光是非相干光。
2、受激躍遷
由于入射光子的感應(yīng)或激勵(lì)，導(dǎo)致激發(fā)原子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)去，這個(gè)過(guò)程稱為受激躍遷或感應(yīng)躍遷。這種躍遷輻射叫做“受激輻射”。受激輻射出來(lái)的光子與入射光子有著同樣的特征，如頻率、相位、振輻以及傳播方向等完全一樣。這種相同性就決定了受激輻射光的相干性。入射一個(gè)光子引起一個(gè)激發(fā)原子受激躍遷，在躍遷過(guò)程中，輻射出兩個(gè)同樣的光子，這兩個(gè)同樣的光子又去激勵(lì)其它激發(fā)原子發(fā)生受激躍遷，因而又獲得4個(gè)同樣的光子。如此反應(yīng)下去，在很短的時(shí)間內(nèi)，輻射出來(lái)大量同模樣、同性能的光子，這個(gè)過(guò)程稱為“雪崩”。雪崩就是受激輻射光的放大過(guò)程。受激輻射光是相干光，相干光有疊加效應(yīng)，因此合成光的振幅加大，表現(xiàn)為光的高亮度性。
激發(fā)壽命與躍遷機(jī)率取決于物質(zhì)種類的不同。處于基態(tài)的原子可以長(zhǎng)期的存在下去，但原子激發(fā)到高能級(jí)的激發(fā)態(tài)上去以后，它會(huì)很快地并且自發(fā)地躍遷回到低能級(jí)去。在高能級(jí)上滯留的平均時(shí)間，稱為原子在該能級(jí)上的“平均壽命”，通常以符號(hào)“τ”表示。一般說(shuō)，原子處于激發(fā)態(tài)的時(shí)間是非常短的，約為10－8秒。