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Nichts dauert unendlich lang – irgendwann springt das Elektron doch und sendet dabei ein Photon aus. Da der Vorgang recht selten ist, wird die entsprechende Spektrallinie nur schwach sichtbar sein. Im nebenstehenden Bild könnte die Linie bei 491,6 nm so ein verbotener Übergang sein, da er einerseits sicher von Hg-Atomen stammt, andererseits erheblich schwächer ist als andere Spektrallinien.

Wenn sich mehr Atome in diesem ungewöhnlichen Zustand als im Grundniveau befinden, liegt eine Besetzungsinversion vor. Dann können diese wartenden Atome in einem Laser energetisch „gemolken“ werden. Dieser Mechanismus heißt stimulierte Emission. Die obige Erklärung gilt für Gase, nicht für Festkörper. Da beeinflussen sich die Atome sehr stark und zusätzliche Bedingungen müssen eingehalten werden. Aber für beide Zustände gilt: Es gibt Atom- oder Molekülsorten, in denen eine ausreichend lange Besetzungsinversion von einigen Mikrosekunden erzeugt werden kann und das nur bei Spektrallinien, die beispielsweise in der Spektroskopie eher wenig beachtet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine Besetzungsinversion umso leichter erzeugt werden kann, je größer die Wellenlänge des entsprechenden Übergangs ist.

Der sehr gut verstandene Kohlendioxidlaser nutzt einen Übergang bei 10,6 µm und erlaubt höchste Leistungen. Leider sind die Photonen dieser Infrarotstrahlung relativ energiearm und werden fast ausschließlich zur Wärmeerzeugung eingesetzt.

Festkörperlaser können besser nutzbares sichtbares Licht erzeugen, haben aber erheblich weniger Leistung.

Da beim bevorzugt verwendeten Halbleiter Silizium keine Möglichkeit gefunden wurde, eine Besetzungsinversion mit anschließender Erzeugung von Photonen zu erzeugen, müssen für Laserdioden exotische und teure Materialkombinationen eingesetzt werden. Auch hier gilt: Die zuerst gebauten Halbleiterlaser arbeiteten im IR-Bereich, dort baut man heute die leistungsstärksten

Exemplare mit den höchsten Wirkungsgraden, weil hier eine Besetzungsinversion relativ leicht zu erzeugen ist.

Im UV-Bereich ist Besetzungsinversion über einen hinreichend langen Zeitraum schwierig zu erreichen, wie die erst kürzlich (2008) eingeführte Blu-ray Disc beweist.

Bisher ist kein Material bekannt, mit dem dieser Zustand im Röntgenbereich ausreichend lange dauert, um Verstärkungseffekte erzielen zu können. Offenbar liegen hier die Verweildauern in metastabilen Zuständen der Elektronenhülle immer im Picosekundenbereich oder darunter.

Laser ohne Resonator

Man erzeugt Laserstrahlung meist in einem Optischen Resonator, in dem sich das Aktive Medium befindet. Bestimmte Laser können jedoch auch ohne mehrfache Hin- und Herreflexion der Laserstrahlung arbeiten, so der Freie-Elektronen-Laser, der Stickstofflaser und natürliche astronomische Maser. Bei diesen ist die Intensitätszunahme der Strahlung bereits bei einem Durchgang so groß, dass spontane Emissionen zum Lasern führen. Die Richtung der Laserstrahlung wird durch die Form und Anregung des aktiven Mediums bestimmt. Solche Laser nennt man Superstrahler.

Astronomische Maser existieren nur im Frequenzbereich des Radars. Das hat im Wesentlichen zwei Gründe:

Nur bei dieser vergleichsweise sehr großen Wellenlänge von einigen Zentimetern ist die spontane Übergangswahrscheinlichkeit vom metastabilen in einen tieferen Zustand des Moleküls so gering, dass die Dauer einer Besetzungsinversion offenbar auf Stunden anwächst.

Ein spontan emittiertes Photon regt in einer riesigen Molekülwolke während einer Flugzeit von vielen Stunden so viele andere Moleküle zu induzierter Emission