雷射增益物質 (Laser gain media):

雷射光是基於受激輻射所造成的光放大作用所產生,而要達到受激輻射的產生,必須利用特殊的物質,而該物質具備特定的能階特性,可以提供介穩狀態的能階(meta-stable state),使得電子能暫存於其上,使原子本身居於特定能態的數量高於其居於另一較低能態的原子數量,造成所謂的居量反轉(population inversion),便能產生雷射增益而進行光放大作用,此種物質便可做為雷射增益物質。常見的雷射增益物質通常有3階(3-level)或4階(4-level)兩種系統。

2階系統只含有兩個能態,被激發的和回到穩態的原子數量相同,在總原子數量守恆的情形下,無法在持續狀況(steady-state)下達到居量反轉,因此無法提供雷射增益。

在3階系統中,原子被激發至上層能態後,快速躍遷至次一能態,存於此能階的原子具有較長的存活期(life time),不易躍遷至基態,因此可在此累積,持續達到居量反轉,產生雷射增益。紅寶石雷射即屬此一類型。

在4階系統中,原子被激發至上層能階,同樣也會快速躍遷至次一存活期較長的能階,而存在於此能態的原子會再度躍遷至另一短存活期之能階,然後快速回到基態能階,於是存於長存活期能階的原子越來越多,短存活期能階的原子越來越少,其間的居量反轉便更容易達成,也因此4階系統的雷射增益物質通常具有較高的增益,或具有較低的激發閾值,更容易產生雷射。Nd:YAG雷射即屬此一類型。