二能级系统 

    如果激光器运转过程中有关的能级只有两个，用有效的激励手段把处于下能级E₁的原子尽可能多地抽运到上能级E₂。设能级E₁和E₂上单位体积内的原子数分别为N₁和N₂，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A₂₁、W₁₂和W₂₁。如果能级统计权重相等，则受激吸收系数B₁₂和受激辐射系数B₂₁相等，因而W₁₂=W₂₁=W。E₂能级上粒子数N₂的变化率为

可见，不管激励手段如何强，（A₂₁+W）总是大于W，所以N₂＜N₁。这表明，对二能级系统的物质来说，不能实现粒子数反转。

    三能级系统

    如果激励过程使原子从基态E₁以很大概率W抽运到E₃能级，处于E₃的原子可以通过自发辐射跃迁回到E₂或E₁。假定从E₃回到E₂的概率A₃₂大大超过从E₃回到E₁的概率A₃₁，也超过从E₂回到E₁的概率A₂₁，则利用泵浦抽运使W＞W₂₃或W＞W₁₂时，E₂和E₁之间就可能形成粒子数反转。

    先写出E₃和E₂上的粒子数变化率方程：

当达到稳定状态时，可推得

可见当W足够大，且W＞A₂₁时，便有N₂＞N₁，从而使三能级系统中的两个能级E₂和E₁实现粒子数反转。红宝石激光器就是以红宝石为工作物质的三能级系统。它的E₃能级寿命很短，约为5×10^-8秒；而E₂能级寿命很长，约为3×10^-3秒，于是在E₂和E₁之间可能形成粒子数反转。寿命较长的能级E₂称为亚稳态。由于E₁为基态能级，总是集聚着大量粒子，要实现N₂＞N₁需要的激励动力相当强，这是三能级系统的缺点。

    四能级系统

    在外界激励下，基态E₁的粒子大量地跃迁到E₄，然后迅速转移到E₃。E₃能级为亚稳态，寿命较长。E₂能级寿命较短，因而到达E₂上的粒子会很快回到基态E₁。所以在E₃和E₂之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E₂，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E₃和E₂间的粒子数反转比三能级系统容易实现。氦氖激光器、二氧化碳激光器、钕玻璃激光器以及YAG激光器都是四能级系统激光器。