物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成。實(shí)際上原子并不是組成物質(zhì)的最小粒子，它是由原子核和圍繞核旋轉(zhuǎn)的一群電子組成的一個(gè)微觀系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)的軌道是一組空間的同心園。同心園數(shù)量有限，除允許的軌道外，其它軌道不允許電子存在。
原子具有內(nèi)能，內(nèi)能的大小不能連續(xù)變化，是一步一步分開(kāi)的。這種分開(kāi)的能量叫能級(jí)。電子所處狀態(tài)決定能級(jí)的高低。通常情況下，電子總是所處在內(nèi)層軌道上，這種狀態(tài)叫基態(tài)或穩(wěn)態(tài)。在整個(gè)原子系統(tǒng)中總是絕大多數(shù)電子組處于基態(tài)。在沒(méi)有外力作用下，內(nèi)層的電子不會(huì)跑到外層上去。也就是說(shuō)，低能級(jí)上的電子不會(huì)自動(dòng)地跑到高能級(jí)上去。
當(dāng)基態(tài)的電子被外部用適當(dāng)?shù)姆绞浇o予一定能量，如光照、電子碰撞、化學(xué)作用或加熱等，就會(huì)激發(fā)到高能級(jí)上去。相反電子由于原子自身的內(nèi)部矛盾，也會(huì)自發(fā)地返回到低級(jí)能級(jí)上來(lái)，這個(gè)過(guò)程叫自發(fā)躍遷。躍遷是指微觀粒子系統(tǒng)從某一種狀態(tài)到別一種狀態(tài)的過(guò)渡。自發(fā)躍遷時(shí)原子的內(nèi)能降低了，多余的能量就會(huì)釋放出來(lái)。釋放的形式有兩種，一種是熱，一種是光。熱叫無(wú)輻射躍遷，光叫自發(fā)輻射躍遷，其輻射稱(chēng)自發(fā)輻射，一般的光源如電燈的光是自發(fā)躍遷產(chǎn)生的。
因?yàn)樵蛹瘓F(tuán)中各原子的最外電子不拘一格，輻射物質(zhì)也可能包含多種類(lèi)的元素。各原子的電子軌道半經(jīng)并不相等，能級(jí)間的能量差也不一樣。由于這樣的原子集團(tuán)所輻射的電磁波中，各個(gè)模式的強(qiáng)度、頻率、相位、方向可能是千差萬(wàn)別的，故自發(fā)輻射在光學(xué)中叫非相干光。日光燈、電燈的輻射都是非相干光、光和無(wú)線(xiàn)電波、微波一樣，是電磁能的一種形式，雖然電磁輻射的效應(yīng)隨頻率而變化，但所有的輻射過(guò)程的本質(zhì)都是一樣的。
激光的產(chǎn)生是利用物質(zhì)的一種叫受激輻射的特性，通常是物質(zhì)未受到外界能量的激發(fā)時(shí)全部電子都集居在基態(tài)能級(jí)A，受到外界的能量激發(fā)后，一部分電子就會(huì)上升到能級(jí)B的高能級(jí)，而后它們很快要以熒光躍遷的形式，衰落到次能級(jí)C物質(zhì)。受到刺激后電子在最高能級(jí)停留的時(shí)間都非常短，大約在１０的負(fù)八次方秒以下。但有些物質(zhì)當(dāng)電子躍遷到次高能級(jí)能停留較長(zhǎng)時(shí)間。如紅寶石的鉻離子就能停留幾個(gè)毫秒，因而在那里形成一種穩(wěn)定的停留狀態(tài)（亞穩(wěn)態(tài)）。
電子從亞穩(wěn)態(tài)進(jìn)一步向低能級(jí)躍遷時(shí)，產(chǎn)生光子。如果這個(gè)光子在光學(xué)諧振腔（兩端是反射鏡的一個(gè)腔體）中反射回來(lái)，就會(huì)誘發(fā)同樣性質(zhì)的躍遷，產(chǎn)生同頻率、同相位的光子。這兩個(gè)光子又會(huì)再起誘發(fā)作用，如此下去就會(huì)產(chǎn)生足夠強(qiáng)的同頻率，同相位的光從光學(xué)諧振腔中具有半透性的那個(gè)反射鏡中射出去，這就是受激輻射。
受激輻射光經(jīng)諧振腔多次的反復(fù)、反饋、放大后最終形成一束頻率一樣、相位相同、方向一致的強(qiáng)大光流，從半反半透的那個(gè)鏡片中射出，這就是激光。
1900年出生在匈牙利的英國(guó)人蓋伯（DGabor）發(fā)明全息照相術(shù)，為此他在1971年獲得諾貝爾獎(jiǎng)金。1962年美國(guó)的執(zhí)密安大學(xué)的利思（ENLeith）和烏帕特克尼斯（Jvpatnicks）利用激光拍攝成功了第一張實(shí)用全息圖，即離軸型兩光束全息圖片。全息術(shù)的英文名稱(chēng)叫：＂Holography＂出于希臘語(yǔ)，意思是全部記錄，即記錄全部信息—振幅和相位。利用激光照相術(shù)所產(chǎn)生的全息圖上的任一小區(qū)能重現(xiàn)整個(gè)物體的象。所以，只要保存底片的一小部分碎片就能再現(xiàn)出原來(lái)全部的景物，這就是全息的來(lái)源，通常我們理解為全部信息。
