粒子数反转(populationinversion)是激光产生的前提。两能级间受激辐射几率与两能级粒子数差有关。在通常情况下,处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2的原子数,这种情况得不到激光。为了得到激光,就必须使高能级E2上的原子数目大于低能级E1上的原子数目,因为E2上的原子多,发生受激辐射,使光增强(也叫做光放大)。为了达到这个目的,必须设法把处于基态的原子大量激发到亚稳态E2,处于高能级E2的原子数就可以大大超过处于低能级E1的原子数。这样就在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。高能态粒子数大于低能态粒子数的非热平衡状态。在热平衡状态下,粒子数按能态的分布遵循玻耳兹曼分布律: