Un laser emette generalmente luce attraverso un tipo di amplificazione. I fotoni atomici possono essere manipolati per concentrare l’energia della luce in una piccola area o dirigerla su grandi distanze. Il metodo in cui l’energia viene diretta nel raggio di luce per amplificarlo è chiamato pompaggio e una pompa laser tipicamente stimola le particelle in uno stato energetico più elevato. Ogni stato è spesso indicato come un livello; un laser a tre livelli, ad esempio, può dirigere la luce in tre diversi stadi prima che venga emessa. Tale configurazione viene spesso utilizzata per garantire che il raggio sia al livello di potenza desiderato.
L’energia utilizzata in un laser eccita tipicamente le particelle di fotoni, ma può anche avere la reazione opposta. In un laser a tre livelli, la luce viene trasferita da uno stato di riposo a un livello energetico elevato; al secondo stadio questa energia decade, ma nessuna particella viene emessa come radiazione. Generalmente, non più della metà delle particelle ha energia sufficiente in questo processo. Gli ingegneri hanno progettato sistemi che possono renderli più energici del necessario. La fase finale è l’attivazione del raggio laser e in genere si verifica un rapido calo dell’energia delle particelle quando le particelle vengono emesse.
Dopo che il raggio è stato sparato, il livello di energia normalmente diminuisce al suo stato più basso. Lo stato fondamentale di un laser a tre livelli è quindi chiamato livello laser inferiore, o E1, che di solito è anche lo stato del sistema dopo l’emissione. L’energia è spesso diretta al livello E3 direttamente da E1, mentre il livello laser superiore, chiamato E2, si verifica in genere appena prima che il raggio venga attivato.
L’uso di appena la metà degli elettroni richiede generalmente che venga aggiunta più potenza al laser a tre livelli. Gran parte dell’energia passa a uno stato inferiore senza emettere luce o altre radiazioni, il che è generalmente consentito dal trasporto di energia da parte di particelle chiamate fotoni reticolari. Questo tipo di laser, quindi, di solito non è efficiente come altre varietà.
Gli stati energetici a ciascun livello durano frazioni di secondo, nonostante i notevoli guadagni e perdite che possono verificarsi. Un altro fenomeno che si verifica spesso in un laser a tre livelli è un’inversione di popolazione, in cui la quantità di particelle in uno stato energetico superiore è maggiore di quelle negli stati inferiori. L’amplificazione della luce è in genere il risultato. Questi stati energetici, tuttavia, vengono raggiunti solo in una parte delle particelle in questo tipo di laser, quindi a volte è necessario affrontare l’efficienza energetica.