Инве́рсия населённостей, состояние квантовой системы, при котором населённость верхнего энергетического уровня $N_{m}/g_{m}$ больше населённости нижнего энергетического уровня $N_{n}/g_{n}$, где $N_{m}$ и $N_{n}$ – число микрочастиц в единице объёма на уровне с энергией $E_{m}$ и $E_{n}$, причём $E_{m}>E_{n}$, а $g_{m}$ и $g_{n}$ – статистические веса уровней. Для невырожденного уровня, статистический вес которого равен единице, населённость совпадает с числом микрочастиц, находящихся на этом уровне в единице объёма.

Согласно базовым положениям квантовой механики, каждая микрочастица квантовой системы может находиться в основном энергетическом состоянии с наименьшей возможной энергией системы $E_{0}$ и в возбуждённых энергетических состояниях $E_{1}, E_{2}, \ldots E_{k}$, для перевода в которые системе необходимо сообщить энергию.

При термодинамическом равновесии квантовой системы, состоящей из ${N}$ микрочастиц, населённость возбуждённого энергетического уровня с энергией $E_{m}$ и статистическим весом $g_{m}$ может быть найдена из распределения Больцмана:

$$\tag{1} N_{m}/g_{m}=N \cdot \exp (-E_{m}/kT) / \lbrack \displaystyle \sum_{i} g_{i} \cdot \exp (-E_{i}/kT) \ \rbrack),$$где ${k}$ – постоянная Больцмана, ${T}$ – термодинамическая температура квантовой системы, $g_{i}$ – статистический вес состояния с энергией $E_{i}$, а суммирование проводится по всем энергетическим состояниям ${i}$.

Из формулы населённости следует, что в квантовой системе, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, для любой пары уровней энергии микрочастицы выполняется условие: населённость уровня с большей энергией меньше населённости уровня с меньшей энергией.

Для реализации инверсии населённости принципиально важно вывести систему из состояния равновесия (возбудить) путём сообщения ей дополнительной энергии. Уровни энергии, между которыми может быть создана инверсия населённостей, называют рабочими лазерными уровнями энергии. Процесс возбуждения квантовой системы с целью создания в ней инверсии населённостей называют накачкой.

Накачка осуществляется различными методами. Выбор того или иного метода определяется агрегатным состоянием рабочего вещества лазера.

Метод оптической накачки широко используется для накачки твердотельных лазеров на кристаллических диэлектриках и стёклах, легированных ионами редкоземельных элементов.

Накачка с помощью газового разряда эффективно применяется в газоразрядных лазерах для возбуждения атомов, ионов и молекул на верхние рабочие уровни за счёт неупругих столкновений с электронами и резонансной передачи энергии в низкотемпературной плазме газового разряда.

Инжекция неосновных носителей заряда через p–n-переход – метод, для которого характерны процессы диффузии и дрейфа носителей заряда в полупроводниках в гетеро-p–n-переходах, смещённых в прямом направлении. Механизм создания инверсии населённостей в полупроводниковых лазерах имеет специфические особенности, обусловленные распределением электронов и дырок в зоне проводимости и валентной зоне.

Метод газодинамической накачки применяется в газовых лазерах путём нагрева до высокой температуры рабочей смеси газов, которая затем резко охлаждается за счёт адиабатного расширения. При переходе в равновесное состояние молекулы газа задерживаются в наиболее долгоживущих состояниях, в результате чего достигается инверсия населённостей.

Химическая накачка – метод, использующийся в газовых лазерах, в которых лазерная активная среда создаётся в результате экзотермических химических реакций.