物質由分子組成，分子由原子組成。實際上原子并不是組成物質的最小粒子，它是由原子核和圍繞核旋轉的一群電子組成的一個微觀系統。旋轉的軌道是一組空間的同心園。同心園數量有限，除允許的軌道外，其它軌道不允許電子存在。
原子具有內能，內能的大小不能連續變化，是一步一步分開的。這種分開的能量叫能級。電子所處狀態決定能級的高低。通常情況下，電子總是所處在內層軌道上，這種狀態叫基態或穩態。在整個原子系統中總是絕大多數電子組處于基態。在沒有外力作用下，內層的電子不會跑到外層上去。也就是說，低能級上的電子不會自動地跑到高能級上去。
當基態的電子被外部用適當的方式給予一定能量，如光照、電子碰撞、化學作用或加熱等，就會激發到高能級上去。相反電子由于原子自身的內部矛盾，也會自發地返回到低級能級上來，這個過程叫自發躍遷。躍遷是指微觀粒子系統從某一種狀態到別一種狀態的過渡。自發躍遷時原子的內能降低了，多余的能量就會釋放出來。釋放的形式有兩種，一種是熱，一種是光。熱叫無輻射躍遷，光叫自發輻射躍遷，其輻射稱自發輻射，一般的光源如電燈的光是自發躍遷產生的。
因為原子集團中各原子的最外電子不拘一格，輻射物質也可能包含多種類的元素。各原子的電子軌道半經并不相等，能級間的能量差也不一樣。由于這樣的原子集團所輻射的電磁波中，各個模式的強度、頻率、相位、方向可能是千差萬別的，故自發輻射在光學中叫非相干光。日光燈、電燈的輻射都是非相干光、光和無線電波、微波一樣，是電磁能的一種形式，雖然電磁輻射的效應隨頻率而變化，但所有的輻射過程的本質都是一樣的。
激光的產生是利用物質的一種叫受激輻射的特性，通常是物質未受到外界能量的激發時全部電子都集居在基態能級A，受到外界的能量激發后，一部分電子就會上升到能級B的高能級，而后它們很快要以熒光躍遷的形式，衰落到次能級C物質。受到刺激后電子在最高能級停留的時間都非常短，大約在１０的負八次方秒以下。但有些物質當電子躍遷到次高能級能停留較長時間。如紅寶石的鉻離子就能停留幾個毫秒，因而在那里形成一種穩定的停留狀態（亞穩態）。
電子從亞穩態進一步向低能級躍遷時，產生光子。如果這個光子在光學諧振腔（兩端是反射鏡的一個腔體）中反射回來，就會誘發同樣性質的躍遷，產生同頻率、同相位的光子。這兩個光子又會再起誘發作用，如此下去就會產生足夠強的同頻率，同相位的光從光學諧振腔中具有半透性的那個反射鏡中射出去，這就是受激輻射。
受激輻射光經諧振腔多次的反復、反饋、放大后最終形成一束頻率一樣、相位相同、方向一致的強大光流，從半反半透的那個鏡片中射出，這就是激光。
1900年出生在匈牙利的英國人蓋伯（DGabor）發明全息照相術，為此他在1971年獲得諾貝爾獎金。1962年美國的執密安大學的利思（ENLeith）和烏帕特克尼斯（Jvpatnicks）利用激光拍攝成功了第一張實用全息圖，即離軸型兩光束全息圖片。全息術的英文名稱叫：＂Holography＂出于希臘語，意思是全部記錄，即記錄全部信息—振幅和相位。利用激光照相術所產生的全息圖上的任一小區能重現整個物體的象。所以，只要保存底片的一小部分碎片就能再現出原來全部的景物，這就是全息的來源，通常我們理解為全部信息。
