染料激光器的工作物质是染料溶液。为了了解其工作原理，首先介绍染料分子。染料分子是一种含有共轭双键的复杂大分子有机化合物。它可按电子自旋状态可分为单态S和三重态T.。染料分子吸收泵浦光能量后由基态S0跃迁到S1的某-振转能级后，在和溶剂分子频繁的碰撞中将能量传递给溶剂分子并跃迁至S1的最低振转能级。染料分子由此能级跃迁至S0的各振动能级时产生荧光。跃迁至S0的较高振转能级的染料分子通过无辐射跃迁过程返回S0的最低能级。因此，在S1的最低振转能级和S0的较高振转能级间极易形成集居数反转分布状态。由于S0和S1都是准连续带，吸收谱和荧光发射谱都是连续的，所以染料激光器有很宽的调谐范围。

　　处于S1态的分子还可通过碰撞向T1态跃迁，这一道程称作系际文叉。，但由于T1态的寿命较长，分子较易积聚在T1态．而T1－T2跃迁的吸收波长又恰好与S1－S0跃迁荧光波长重叠，这意味着T1态积聚的染料分子可吸收受激辐射光子而向T2态跃迁，因此染料分子在T1态集聚不利于激光运转。显然，只有在 S1－So受激辐射产生的增益大于T1-T2跃迁造成的吸收损耗时，才能形成激光振荡。