每一種物質都是具有固定的能階,當光與物質發生交互作用時,原子內部的點在就從某一能階狀態躍遷到另一能階狀態,而躍遷過程會伴隨著光的吸收和輻射。

當光與物質相遇時,會發生三種基本現象,也就是光與物質之間會進行三種基本的交互作用:吸收、自發放射和激發放射。

當光照射在物質表面時,物質內部分電子吸收光的能量,從基態躍遷到激發態,亦即光被原子吸收過程。原子要從光獲得能量,必須是光的能量恰為兩能階的能量差,吸收過程才會產生。如光子能量大于物質能隙,則光子會被材料吸收,并將電子激發到導電帶而在價電帶留下電洞。

我們可以以牛頓力學的小實驗來說明這個現象,用一條繩子系住一個鐵球甲,繩子自由下垂,再用具有一定速度同質量的鐵球乙撞擊鐵球甲,這時,乙球不動,而甲球由位能的低點升到位能的高點(上升高度則視乙球撞擊的動量而定),這與光子的吸收方式類似。

能量較高的物質放出電磁波,而降低其能量的過程稱為自發放射。物質吸收光子能量后,電子躍遷到激發態,當入射光消失時,電子經過一小段時間后,會自然回到穩定的基態。這時能量將以光子方式釋放,且朝各方向放射的幾率相同,一般的光源放射就是這種方式。

同樣的,可以以牛頓力學的小實驗來模擬,用一繩子系住一個鐵球甲,從位能的高處自由落到位能的低處,這時,撞擊到另一同質量的鐵球乙,則甲球不動而乙球將獲得動能往前彈出,就像物質因自發放射發出電磁破(光子、電磁輻射)而降低能量一樣。

物質與光的第三種交互作用是激發放射,就是在激發狀態的粒子受到入射光的作用而躍回基態,受激發放射的頻率與入射光相同,而且放射光方向與入射光運動方向一致,也就是產生的波長一樣(因此能量相同)且相位一致的放射光,這是激光發生的重要過程。通俗地說,激發放射是高能量的物質因為受到適當的入射光子所激勵,而發出相同的光波。

這就像是在卡拉OK機器前的人,跟著熟悉或引起共鳴的曲調唱起來。激發放射產生的光波波長、發出光波的時間、光波的發射方向決定于入射的電磁波(光子),在外觀上,會看見一個光子到達這個物質,卻有兩個一模一樣的光子從物質發出。既然光子數目增加,光強度也就放大了。