Les trois processus d’interaction photon / matière sont décrits ci-dessous.
1. L'absorption
Un photon de fréquence $\nu$ est absorbé par un atome dans un niveau d'énergie $E_1$ et passe alors dans le niveau d'énergie supérieur $E_2$. La fréquence $\nu$ du photon absorbé vérifie $h\nu=E_2-E_1$ avec $h$ la constante de Planck.
2. L’émission spontanée
Un atome excité au niveau $E_2$ se désexcite dans le niveau inférieur $E_1$ en émettant spontanément un photon de fréquence $\nu$ telle que h\nu=E_2-E_1$ .
3. L’émission stimulée
Un photon de fréquence $\nu$ est absorbé par un atome dans un niveau d'énergie $E_2$. L'atome se désexcite alors en émettant un nouveau photon identique au photon absorbé puis ré-émis. L'émission stimulée est donc un processus d'émission cohérente amplifiant le signal (un photon donne deux photons identiques).
