處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)是如何產(chǎn)生激光的呢？激光諧振腔又起什么作用呢？下面就來回答這些問題。
    如前所述，處于激發(fā)態(tài)的原子不能長時(shí)間停留在高能級。即使沒有外界作用，也會(huì)自發(fā)地由高能級向低能級躍遷，并輻射一個(gè)光子。因?yàn)樵�子的這種自發(fā)輻射是完全獨(dú)立的，所以，不同原子發(fā)射光子的方向全然不同。剎那間，工作物質(zhì)中出現(xiàn)沿四面八方傳播的光子，如圖所示。 


    假定工作物質(zhì)具有圓柱形狀，這些自發(fā)輻射光子必有一部分沿其中心軸的方向傳播，多數(shù)則與中心軸有一定夾角。后一類“離心離德”的光子很快從工作物質(zhì)的側(cè)面逃逸出去，對激光的產(chǎn)生沒有多大影響；前一類“同心同德”的光子在沿工作物質(zhì)中心軸方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，將引起路徑上處于高能級原子的受激輻射，產(chǎn)生與其具有相同頻率、相同位相，并沿相同方向傳播的光子。該光子與誘發(fā)它的光子“齊心協(xié)力，并肩戰(zhàn)斗”，激勵(lì)其他原子輻射與它們相同的光子。如此下去，使光子數(shù)由1到2，由2到4，……以神奇的速度按指數(shù)規(guī)律增長。更為神奇的是，由于所有這些光子都是逐次受激輻射產(chǎn)生的，這使它們?nèi)�部具有相同頻率、相同初位相、相同偏振態(tài)，并沿相同方向傳播，如圖1-2（b）所示。
    理論上講，只要工作物質(zhì)足夠長，則不管初始自發(fā)輻射有多弱，最終總可以被放大到一定強(qiáng)度。但在實(shí)際激光器中，一般來說，工作物質(zhì)既沒有必要，也沒有可能特別長（最近發(fā)展起來的以光纖為工作物質(zhì)的激光器是一個(gè)例外），通常的做法是在其兩端各放一塊反射鏡，使光得以來回反射多次通過工作物質(zhì)并被不斷放大，如圖1-2（c）所示。為充分利用光能，介質(zhì)往往被置于一聚光腔體中，后者與端面反射鏡共同構(gòu)成激光諧振腔，如圖1-2（d）所示。
    由以上的討論可以看出，激光作為一種光，與自然界其他發(fā)光一樣，是由原子（或分子、離子等）躍遷產(chǎn)生的，而且是由自發(fā)輻射引起的。不同的是，普通光源自始至終都是由自發(fā)輻射產(chǎn)生的，因而含有不同頻率（或不同波長、不同顏色）的成分，并向各個(gè)方向傳播。激光則僅在最初極短的時(shí)間內(nèi)依賴于自發(fā)輻射，此后的過程完全由受激輻射決定。正是這一原因，使激光具有非常純正的顏色，幾乎無發(fā)散的方向性，極高的發(fā)光強(qiáng)度。而正是這些神奇的特性，使激光在各個(gè)領(lǐng)域具有一系列令人難以置信而又不得不相信的應(yīng)用。