3準位系

理想的な 3 準位系のエネルギー準位を図に示す。この系では、レーザー下準位 E₁ が基底準位と同じであり、下準位には常に原子数分布が存在している。 また、レーザー上準位 E₂ の上に広いバンド幅をもった励起準位 E₃ が存在している。効率よく反転分布を形成するには、励起準位 E₃ の寿命が短く、なおかつ励起準位 E₃ からレーザー上準位 E₂への非放射遷移の緩和時間 τ₃₂ が、励起準位 E₃ から基底準位 E₁へ戻る寿命に比べて十分短い必要がある。これにより、励起光を強くしても励起準位 E₃ から基底準位 E₁ の誘導放出はほとんど起こらず、反転分布を実現できる。この状態でレーザー上準位 E₂ から基底準位 E₁ への誘導放出を利用することでレーザーが発振する。

図：3準位系の概念図。 (a) エネルギー準位図、(b) 反転分布状態

この励起準位に励起された原子数のうち、レーザー上準位に遷移する割合は励起量子効率 η_p と呼び次式で 定義される。