Un láser generalmente emite luz a través de un tipo de amplificación. Los fotones atómicos se pueden manipular para concentrar la energía de la luz en un área pequeña o dirigirla a grandes distancias. El método en el que la energía se dirige al haz de luz para amplificarlo se llama bombeo, y una bomba láser normalmente estimula las partículas a un estado de mayor energía. A cada estado se le llama a menudo un nivel; un láser de tres niveles, por ejemplo, puede dirigir la luz en tres etapas diferentes antes de que se emita. Esta configuración se utiliza a menudo para garantizar que el haz se encuentre en el nivel de potencia deseado.
La energía utilizada en un láser normalmente excita las partículas de fotones, pero también puede tener la reacción opuesta. En un láser de tres niveles, la luz se transfiere de un estado de reposo a un nivel de alta energía; en la segunda etapa, esta energía decae, pero no se emiten partículas como radiación. Generalmente, no más de la mitad de las partículas tienen suficiente energía en este proceso. Los ingenieros han diseñado sistemas que pueden hacer que tengan más energía de lo necesario. La etapa final es la activación del rayo láser y, por lo general, se produce una caída rápida de la energía de las partículas a medida que se emiten.
Después de que se dispara el rayo, el nivel de energía normalmente disminuye a su estado más bajo. Por lo tanto, el estado fundamental de un láser de tres niveles se denomina nivel láser inferior, o E1, que también suele ser el estado del sistema después de que se produce la emisión. La energía a menudo se dirige al nivel E3 directamente desde E1, mientras que el nivel láser superior, llamado E2, generalmente ocurre justo antes de que se active el rayo.
El uso de solo la mitad de los electrones generalmente requiere que se agregue más potencia al láser de tres niveles. Gran parte de la energía pasa a un estado inferior sin emitir luz u otra radiación, lo que generalmente es posible gracias al transporte de energía mediante partículas llamadas fotones reticulares. Este tipo de láser, por lo tanto, generalmente no es tan eficiente como algunas otras variedades.
Los estados de energía en cada nivel duran fracciones de segundo, a pesar de las ganancias y pérdidas sustanciales que pueden ocurrir. Otro fenómeno que ocurre a menudo en un láser de tres niveles es una inversión de población, en la que la cantidad de partículas en un estado de mayor energía es mayor que las de los estados inferiores. El resultado suele ser la amplificación de la luz. Sin embargo, estos estados de energía se alcanzan en solo una parte de las partículas en este tipo de láser, por lo que a veces es necesario abordar la eficiencia energética.