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激光产生过程以红宝石激光器为例，原子首先吸收外部注入的能量，跃迁至受激态（E3）。原子处于受激态的时间非常短，大约为 10－7 秒后，它便会落到一个称为亚稳态（E2）的中间状态。原子在亚稳态的时间很长，大约是 10－3 秒或更长的时间。原子长时间停留在亚稳态，导致在亚稳态的原子数目多于在基态的原子数目， 此时的状态称就是粒子数反转。其产生的结果就导致使通过受激辐射由亚稳回到基态（E1）的原子，比通过受激吸收由基态跃迁至亚稳态的原子为多，从而保证介质内的光子可以增多，从而形成激光。这就是典型的激光三能级系统。
当粒子受外界能量激励从 E1 到 E3，由于 E3 能级寿命短，很快转移到 E2 上，因能级 E2 为亚稳态，在 E2、E1 间实现粒子数反转分布。由于下能级 E1 为基态，通常总是积聚着大量的粒子，因此要实现粒子数反转，必须将半数以上的基态粒子激发到 E2 上，所以，外界激励就需要有相当强的能力。
而我们所用的 YAG 激光系统属于四能级系统。如所示，能级 E1 为基态，
E2、E3、E4 为激发态。在外界激励的条件下，基态 E1 上的粒子大量被激发到
E4 上，又迅速转移到 E3 上，E3 能级为亚稳态，寿命较长。而 E2 能级寿命很短，E2 上的粒子又很快跃迁到基态 E1，所以，四能级系统中，粒子数反转是在
E3 与 E2 间实现。
也就是说，能实现粒子数反转的激光下能级是 E2，不像三能级系统那样， 为基态 E1。因为 E2 不是基态，所以在室温下，E2 能级上的粒子数非常少。因而粒子数反转在四能级系统比三能级系统容易实现。常见激光器中，除掺钕钇铝石榴石（简 Nd3 :YAG）激光器外，氦氖激光器和二氧化碳激光器也都属四能级系统激光器。需要指明，以上讨论的三能级系统和四能级系统都是对激光器运转过程中直接有关的能级而言，不是说某种物质只具有三个能级或四个能级。