什么是粒子数反转？粒子数反转是激光产生的前提。
两个能级之间受激辐射的概率与两个能级之间粒子数的差异有关。一般来说，低能级E1的原子数大于高能级E2的原子数。为了获得激光，必须使高能能级E2的原子数大于低能能级E1的原子数。因为E2中有许多原子，所以会产生受激辐射，光会增强（也称为光放大）。为了实现这一目标，我们必须尝试激发大量基态原子到亚稳态E2。高能级E2的原子数可以大大超过低能级E1的原子数。这样，在能级E2和E1之间实现了粒子数的反转。
粒子数反转分布是怎样？应该是“粒子数分布反演”？也就是说，高能态的粒子数比低能态的粒子数多。粒子数的反演与热平衡分布有关。当系统处于粒子数反转状态时，受激光子的数目大于被吸收光子的数目，因此可以放大光子的数目。激光运转的必要条件之一是粒子数的反转。在正常热平衡状态下，粒子数分布满足玻耳兹曼分布规律，因此不可能对粒子数分布进行反演。一般来说，应该用适当的激发来破坏热平衡态，构造粒子数分布的反演
爱因斯坦在1917年提出了受激辐射，但激光发明于1960年，时隔43年。为什么？主要原因是普通光源中粒子产生受激辐射的概率很小。当一定频率的光注入工作物质时，受激辐射和受激吸收同时存在。受激辐射会增加光子的数量，但受激吸收会减少光子的数量。当物质处于热平衡时，粒子在各能级的分布遵循平衡态粒子的统计分布规律。根据统计分布规律，低能级E1的粒子数必须大于高能级E2的粒子数。这样，当光通过工作物质时，光的能量只会减弱，而不会增强。为了使受激辐射占主导地位，高能级E2的粒子数必须大于低能级E1的粒子数。这种分布与平衡态的粒子分布正好相反，称为粒子数反转分布。如何实现粒子数的反演是激光产生的必要条件。
理论研究表明，在适当的激发条件下，任何工作物质都可以实现粒子数在粒子系统的特定高能级和低能级之间的反转。
