2・1・1 原子による光の放出と吸収

上のエネルギー準位W₂にある原子が下のエネルギー準位W₁へ遷移するときに放出される光の振動数ν₀と角振動数ω₀は，

で与えられる．ただし，h=2π=6.624×10^-34 J・Sはプランク定数である．そして，下のエネルギー準位にある原子は，同じ振動数の光を吸収して，上のエネルギ-準位に遷移する．

2・1・2 自然放出と誘導放出

振動数νの光のエネルギー密度ρ(ν)の場の中にある原子が上の準位W₂から光を放出して下の準位W₁に遷移する確率は，

と表される¹⁾．Aを自然放出確率またはアインシュタインのA係数，Bを誘導放出係数またはアインシュタインのB係数という．そして，下の準位W₁にある原子がエネルギー密度ρ(ν)の光を吸収する確率は，

であって，誘導吸収係数B₁₂は誘導放出係数B₂₁に等しい．

量子力学によれば，原子(または分子)の2準位間の遷移の双極子モーメントの大きさをμ_αとすれば，この2準位間の遷移の自然放出確率は，

となる．また，誘導放出係数は，

である．ただし，原子の空間的方位または光の偏光が等方的であるとした．

2・1・3 2準位媒質による光の吸収