4준위 레이저 반전분포를 실현시키면 레이저 증폭작용이 일어나는 것은 당연하다고 할 수 있다. 문제는 어떻게 입자수분포를 반전시키는가 하는 것이다. 실제 레이저에서 잘 이용되는 것은 3준위계 또는 4준위계의 완화 시간차를 이용하는 방법이다. 우측의 그림은 이상적인 3준위 레이저의 에너지준위를 나타낸 것이다. 레이저의 경우, 각 준위 사이에 생기는 에너지차는 열에너지에 비해 아주 크기 때문에 열평형상태에서 거의 모든 원자는 바닥준위인 준위 1에 있다. 이와 같은 원자의 집단에 외부에서 ν31=(E3-E1)∕h에 가까운 주파수의 강력한 광을 입사시켜 바닥준위의 원자를 준위 3으로 여기시킨다. 이것에 의한 유도방출확률 W31과 유도흡수확률 W13은 같기 때문에, 이를 Wi라 한다. 준위 3과 1의 원자수를 N3..

앞에서 설명했던 것처럼 자연방출 및 유도방출에 의해 준위 2에서 1로 천이하는 확률은 관계가 있음을 알 수 있다. 실제로는 전자파의 강도 Iν가 아주 클 경우에는 자연방출의 효과는 무시한다. 실제로 레이저매질은 1cm3당 고체의 경우 10^18～10^20개, 기체의 경우에도 10^10～10^15개 정도의 원자(이온 혹은 분자)를 갖고 있다. 이들은 각기 다른 에너지준위에서 운동하고 있다. 이들에 주파수 ν의 전자파를 가하면, 흡수에 의해 단위시간 및 단위체적당 W12(ν)N1개의 원자가 준위 1에서 2로 천이하여 hνW12(ν)N1에 해당하는 광파워를 원자계에 준다. 동시에 유도방출에 의해 단위시간 및 단위체적당 W21(ν)N2개의 원자가 준위 2에서 1로 천이하며, hνW21(ν)N2에 해당하는 광파워..