原子のエネルギーは、とびとびの値しかとりません。ここでは話を簡単にするため、下の準位 E_1 と上の準位 E_2 の 2 つだけを持つ原子を考えます。
下の準位にある原子に、エネルギー h\nu の光子が当たります。h\nu が E_2 - E_1 にちょうど等しいとき、光子は吸収され、原子は上の準位へ移ります。等しくない光子は吸収されず、そのまま通り過ぎます。
図では、左から来た光子が吸収され、原子が E_1 から E_2 へ移ります。フランク・ヘルツの実験では電子の衝突で原子を上の準位へ移しましたが、光でも同じことが起こります。
上の準位にある原子は、外から何もしなくても、ある時間がたつと下の準位へ移ります。そのとき、エネルギーの差 E_2 - E_1 を 1 個の光子として放出します。これを自然放出といいます。
上の準位にいる時間の平均を寿命といいます。目に見える光を放出する遷移の多くでは、寿命はおよそ 10^{-8} 秒です。
自然放出の光子が進む向きは決まっていません。図では、放出のたびに光子が違う向きへ進みます。放出の時刻もばらばらなので、たくさんの原子が放出した光は、向きも位相もそろいません。蛍光灯や LED の光は、こうした自然放出の光です。
上の準位にある原子に、エネルギーがちょうど E_2 - E_1 の光子が当たると、もう 1 つの放出が起こります。当たった光子は吸収されず、原子は下の準位へ移って、光子をもう 1 個放出します。これを誘導放出といいます。1917 年にアインシュタインが、光と原子の熱平衡を考えるなかで、この過程がなければならないことを示しました。
誘導放出で放出された光子は、当たった光子と同じ向きに進み、波長も位相も同じです。図では、1 個の光子が原子を通ると、そろった 2 個の光子になって右へ進みます。光子が 1 個から 2 個に増えたので、光が強くなったことになります。
光が原子の集まりを通るとき、下の準位の原子は光子を吸収し、上の準位の原子は誘導放出で光子を増やします。光子 1 個あたりで比べると、吸収が起こる確率と誘導放出が起こる確率は等しいので、光が強くなるか弱くなるかは、2 つの準位にいる原子の数で決まります。
熱平衡では、上の準位の原子の数 N_2 と下の準位の原子の数 N_1 の比は \dfrac{N_2}{N_1} = e^{-(E_2 - E_1)/kT} です。目に見える光の E_2 - E_1 \approx 2 eV に対して、室温の kT は 0.026 eV ほどなので、この比はおよそ 10^{-34} です。上の準位にはほとんど原子がなく、光は吸収されて弱くなります。
光を強めるには、N_2 を N_1 より大きくしなければなりません。この状態を反転分布といいます。2 つの準位だけでは、光で原子を上の準位へ移しても、吸収と誘導放出がつり合う N_2 = N_1 までしか増えません。そこで 3 つ目の準位 E_3 を使います。原子を E_1 から E_3 へ移し（これをポンピングといいます）、E_3 からすぐに寿命の長い E_2 へ移るようにすると、E_2 に原子がたまり、E_2 と E_1 のあいだで反転分布ができます。図の右がそのようすです。
反転分布にある原子の集まりを、向かい合わせた 2 枚の鏡のあいだに置きます。鏡に垂直な向きに進む光子は、往復するたびに誘導放出を起こして数を増やします。ほかの向きに進む光子は、何度か往復するうちに鏡のあいだから外れます。
片方の鏡は、光の一部を通す半透鏡にしておきます。そこを通って外へ進む光がレーザー光です。誘導放出でそろった光子ばかりなので、向きも波長も位相もそろっています。レーザー（laser）という名前は、Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（放射の誘導放出による光の増幅）の頭文字です。最初のレーザーは、1960 年にメイマンがルビーで作りました。