粒子数反转：光是由物质发出来的，物质是由原子组成的，原子又是由一个带正电荷的核和核以外的带负电荷的电子组成。这些电子沿着一定的轨道运动，它们处于许多各不相同的能量状态，离核愈近，能量越低；越靠近外层轨道的电子的能量就越高。在正常情况下，能量较低级上的原子数总是比能量较高级上的多。在外来能量的激励下，低能级上的原子吸收了外来能量，会从低能级状态跃升到高能级，使处在高能级的原子数多于处在低能级的原子数，这种状态称为“粒子数反转”。
在这种状态下，如果有一束光子通过这物质，而光子的能量恰好等于这两个能量级相对应的能量差，这时的物质就具有放大光的能力，使输出的光能量大于入射的光能量。