激光產生過程
以紅寶石激光器為例，原子首先吸收外部注入的能量，躍遷至受激態(E3)。原子處于受激態的時間非常短，大約為10-7秒后，它便會落到一個稱為亞穩態(E2)的中間狀態。原子在亞穩態的時間很長，大約是10-3秒或更長的時間。原子長時間停留在亞穩態，導致在亞穩態的原子數目多于在基態的原子數目，此時的狀態稱就是粒子數反轉。其產生的結果就導致使通過受激輻射由亞穩回到基態(E1)的原子，比通過受激吸收由基態躍遷至亞穩態的原子為多，從而保證介質內的光子可以增多，從而形成激光。這就是典型的激光三能級系統。
當粒子受外界能量激勵從E1到E3，由于E3能級壽命短，很快轉移到E2上，因能級E2為亞穩態，在E2、E1間實現粒子數反轉分布。由于下能級E1為基態，通常總是積聚著大量的粒子，因此要實現粒子數反轉，必須將半數以上的基態粒子激發到E2上，所以，外界激勵就需要有相當強的能力。
而我們所用的YAG激光系統屬于四能級系統。如所示，能級E1為基態，E2、E3、E4為激發態。在外界激勵的條件下，基態E1上的粒子大量被激發到E4上，又迅速轉移到E3上，E3能級為亞穩態，壽命較長。而E2能級壽命很短，E2上的粒子又很快躍遷到基態E1，所以，四能級系統中，粒子數反轉是在E3與E2間實現。
也就是說，能實現粒子數反轉的激光下能級是E2，不像三能級系統那樣，為基態E1。因為E2不是基態，所以在室溫下，E2能級上的粒子數非常少。因而粒子數反轉在四能級系統比三能級系統容易實現。常見激光器中，除摻釹釔鋁石榴石(簡Nd3+:YAG)激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都屬四能級系統激光器。需要指明，以上討論的三能級系統和四能級系統都是對激光器運轉過程中直接有關的能級而言，不是說某種物質只具有三個能級或四個能級。
