Чтобы происходило усиление падающего излучения, в среде должна быть неравновесная заселенность уровней, т.е . О такой среде говорят, что она должна находится при отрицательной температуре, имея в виду, конечно, абсолютную температуру. Иногда говорят также, что это среда с инверсной заселенностью уровней.
Применяя нетепловые методы возбуждения, например, пропуская через вещество сильные электрические токи, можно создавать термодинамически неравновесные метастабильные состояния вещества с инверсной заселенностью энергетических уровней.
Под инверсной заселенностью двух различных уровней понимают такое состояние, когда на верхнем уровне находится больше атомов, чем на нижнем.