Primo concetto: inversione della popolazione elettronica degli atomi che costituiscono il mezzo attivo
Gli atomi possiedono una struttura che li caratterizza e che permette le interazioni con la radiazione e con altri atomi. Essa é costituita dal nucleo carico positivamente e dagli elettroni carichi negativamente, disposti in orbite intorno al nucleo.
L'energia di legame dell'elettrone con il nucleo dipende dall'orbita nella quale si trova: essa é maggiore per gli elettroni più vicini al nucleo. Le orbite permesse sono contraddistinte da energie ben precise: livello E1, E2, E3, ...
In condizioni normali sono popolate le orbite a più bassa energia, mentre quelle superiori sono libere. In presenza di cause esterne quali collisioni con altre particelle o irraggiamento, la distribuzione degli elettroni nelle orbite può variare: si ha quindi l'eccitazione e la diseccitazione degli elettroni.