Avantajul fundamental al laserelor cu patru-nivele față de laserele cu trei-nivele constă în eficiența lor superioară a inversării numărului de particule-care este premisa de bază a oscilației laser. Într-un laser cu trei-nivele, nivelul de energie inferior al tranziției laser este starea fundamentală, iar starea fundamentală acumulează în mod natural un număr mare de electroni într-o stare de echilibru termic. Pentru a realiza inversarea populației (adică, există mai mulți electroni la nivelul de energie superior decât la nivelul de energie inferior), aproape jumătate din electronii din starea fundamentală trebuie pompați la nivelul de energie superior. Acest lucru necesită o putere extrem de mare a pompei, care nu numai că provoacă o risipă serioasă de energie, ci și face dificilă menținerea unei stări stabile de inversare.
În schimb, laserele cu patru-nivele introduc un nivel de energie intermediar inferior, care nu este starea fundamentală. Electronii pompați la cel mai înalt nivel de energie (nivel de energie 4) se vor relaxa rapid la nivelul de energie superior al laserului (nivel de energie 3) printr-o tranziție non-radiativă; după emiterea de fotoni (proces de generare a laserului), electronii se vor transfera la nivelul inferior de energie laser (nivelul de energie 2) în loc să revină direct la starea fundamentală (nivelul de energie 1). Cheia este că electronii din nivelul de energie 2 se dezintegra rapid la starea fundamentală, lăsând nivelul de energie 2 aproape gol. Aceasta înseamnă că doar un număr mic de electroni care ocupă nivelul de energie 3 poate depăși în număr electronii rari din nivelul de energie 2, realizând astfel inversarea populației la o energie de pompă mult mai mică decât cea a unui laser cu trei-nivele.
Dintr-o perspectivă practică de aplicare, acest avantaj de eficiență se manifestă prin trei beneficii principale: în primul rând, laserul cu patru-nivele are o putere de prag mai mică a pompei și este mai eficient din punct de vedere energetic, făcându-l potrivit pentru dispozitive mici,-de putere redusă, cum ar fi laserele cu diode-pompate; în al doilea rând, este mai ușor să se realizeze operarea cu undă continuă (CW)-laserele cu trei-nivele sunt adesea dificil de realizat din cauza cerințelor ridicate de pompare și a acumulării de căldură. Ieșire stabilă a laserului continuu și designul cu patru-niveluri pot menține inversarea stabilă evitând în același timp supraîncălzirea; în cele din urmă, aplicabilitatea lungimii de undă a laserului cu patru-niveluri este mai largă. Deoarece nivelul inferior de energie al laserului este decuplat de starea fundamentală, structura sa de nivel de energie poate fi proiectată în mod flexibil pentru a acoperi o varietate de benzi de lungimi de undă, de la lumina vizibilă (cum ar fi laserul cu heliu-neon) până la lumina infraroșie (cum ar fi laserul granat cu neodim, ytriu aluminiu).
În rezumat, structura cu patru-niveluri rezolvă blocajul de bază al laserelor cu trei-nivele - problema congestiei numărului de particule de stare fundamentală. Prin reducerea densității de electroni a nivelului inferior de energie laser, se realizează o inversare mai eficientă a numărului de particule, un consum mai mic de energie și o gamă mai largă de scenarii de aplicare, devenind soluția de proiectare principală pentru majoritatea sistemelor laser moderne.
