物理學家在研究原子架構時發現了雷射。雷射機問世以來，雷射的應用已經遍及工、農、科研、國防各個領域，雷射科學技術成為當代發展最快的科技領域之一。
1913年，丹麥物理學家玻爾提出，原子能夠以一系列能級不同的狀態存在，並且只能從一個能級跳躍到另一個能級。一個低能級的原子吸收能量之後可以變成高能級；高能級的原子變為低能級時，會以輻射的形式把多餘的能量放出來（自發輻射）。
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1913年，丹麥物理學家玻爾提出，原子能夠以一系列能級不同的狀態存在，並且只能從一個能級跳躍到另一個能級。一個低能級的原子吸收能量之後可以變成高能級；高能級的原子變為低能級時，會以輻射的形式把多餘的能量放出來（自發輻射）。
1917年愛因史丹提出，原子從較高的能級跳躍到低能級時可以透過自發輻射或受激輻射兩種不同的模式來實現。普通光源的發光主要就是自發輻射；處在激發態的原子在其他某種作用之下，例如光照，引起原子躍遷，原子受迫發光，原子的這種發光模式稱為受激輻射。
受激輻射理論提出來之後，並不受人重視，30年之後，直到1951年，美國物理學家湯斯對此發生興趣。一天他散步之後，坐在長凳上默默思考這一問題，突然間他產生一種新的想法︰在正常情況下，物質的多數分子均處於低能態，能否改變這一狀況，數分子處於高能態，然後用微波照射這些分子，使其受激而發射能量，這就產生了放大作用。這種使一個容器裡的原子或分子大部分轉入高能量的過程叫作粒子數反轉，它是量子放大器和雷射器必要條件。他當即在一個信封的背面勾畫出一些基本的設計要求，經過3年的多次實驗，微波受激放大器（量子放大器）終於研製成功。早期的微波受激放大器是一個金屬小盒，盒裡充進處於激發態的氨分子。當微波射入這個充滿了受激態氨分子的盒子時，就發出一束純而強的高頻微波射束。
蘇聯科學家巴索夫和普洛克哈羅大也獨立地進行過類似的工作，並取得成功。1964年，湯斯、巴索夫、曾洛克哈羅夫同獲諾貝拉物理學獎。
隨著量子放大器的發展，人們開始考慮將這些原理從微波波段擴展到光波波段的可能性。1958年湯斯和肖洛提出了雷射器的第一個理論方案。他們建議，用具有放大作用的物質製成一根細長的柱體，它的兩端有互相平等的反射鏡。其中一面反射鏡為全反射鏡，另一面為部分反射鏡，光就沿著柱體來回地反射，形成一個光頻共振腔。世界上第一台雷射機是1960年由美國的梅曼博士研製成功的。他用紅寶石單品作為工作物質，兩個端面磨平並鍍銀。紅寶石的主要成分是氧化鋁，其晶格中有一小部分鋁原子被鉻原子所替代，當作為激勵源的氙燈發出強光照射紅寶石時，紅寶石中的鉻原子吸收綠光和藍光，由基態躍遷到激發態，造成粒子數反轉。第一台雷射機，輸出功率為1萬瓦，其晶棒十分純淨，是用人工方法生產的，發出的雷射強度為陽光的1千萬倍。
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