Un laser émet généralement de la lumière à travers un type d’amplification. Les photons atomiques peuvent être manipulés pour concentrer l’énergie de la lumière dans une petite zone ou la diriger sur de grandes distances. La méthode par laquelle l’énergie est dirigée dans le faisceau lumineux pour l’amplifier est appelée pompage, et une pompe laser stimule généralement les particules dans un état d’énergie plus élevé. Chaque état est souvent désigné comme un niveau ; un laser à trois niveaux, par exemple, peut diriger la lumière en trois étapes différentes avant qu’elle ne soit émise. Une telle configuration est souvent utilisée pour s’assurer que le faisceau est au niveau de puissance souhaité.
L’énergie utilisée dans un laser excite généralement les particules de photons, mais peut également avoir la réaction inverse. Dans un laser à trois niveaux, la lumière est transférée d’un état de repos à un niveau d’énergie élevé ; au deuxième stade, cette énergie se désintègre, mais aucune particule n’est émise sous forme de rayonnement. Généralement, pas plus de la moitié des particules ont suffisamment d’énergie dans ce processus. Les ingénieurs ont conçu des systèmes qui peuvent les amener à être plus énergétiques que nécessaire. L’étape finale est l’activation du faisceau laser, et une chute rapide de l’énergie des particules se produit généralement lorsque les particules sont émises.
Une fois le faisceau tiré, le niveau d’énergie diminue normalement jusqu’à son état le plus bas. L’état fondamental d’un laser à trois niveaux est donc appelé le niveau laser inférieur, ou E1, qui est aussi généralement l’état du système après l’émission. L’énergie est souvent dirigée vers le niveau E3 directement depuis E1, tandis que le niveau laser supérieur, appelé E2, se produit généralement juste avant que le faisceau ne soit activé.
L’utilisation de seulement la moitié des électrons nécessite généralement d’ajouter plus de puissance au laser à trois niveaux. Une grande partie de l’énergie passe à un état inférieur sans émettre de lumière ou d’autre rayonnement, ce qui est généralement rendu possible par le transport d’énergie par des particules appelées photons de réseau. Ce type de laser n’est donc généralement pas aussi efficace que certaines autres variétés.
Les états d’énergie à chaque niveau durent quelques fractions de seconde, malgré les gains et les pertes substantiels qui peuvent survenir. Un autre phénomène qui se produit souvent dans un laser à trois niveaux est une inversion de population, dans laquelle la quantité de particules dans un état d’énergie plus élevée est plus grande que celles dans des états inférieurs. L’amplification de la lumière est généralement le résultat. Cependant, ces états d’énergie ne sont atteints que dans une partie des particules de ce type de laser, de sorte que l’efficacité énergétique doit parfois être abordée.