1、激光工作介質(zhì)

激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體。在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。

顯然亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的存在，對(duì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)世非常有利的?，F(xiàn)有工作介質(zhì)近千種，可產(chǎn)生的激光波長(zhǎng)包括從真空紫外道遠(yuǎn)紅外，非常廣泛。

2、激勵(lì)源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級(jí)的粒子數(shù)增加。

一般可以用氣體放電的辦法來利用具有動(dòng)能的電子去激發(fā)介質(zhì)原子，稱為電激勵(lì)；也可用脈沖光源來照射工作介質(zhì)，稱為光激勵(lì)；還有熱激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)等。

各種激勵(lì)方式被形象化地稱為泵浦或抽運(yùn)。為了不斷得到激光輸出，必須不斷地“泵浦”以維持處于上能級(jí)的粒子數(shù)比下能級(jí)多。

3、諧振腔

有了合適的工作物質(zhì)和激勵(lì)源后，可實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，但這樣產(chǎn)生的受激輻射強(qiáng)度很弱，無法實(shí)際應(yīng)用。于是人們就想到了用光學(xué)諧振腔進(jìn)行放大。

所謂光學(xué)諧振腔，實(shí)際是在激光器兩端，面對(duì)面裝上兩塊反射率很高的鏡。一塊幾乎全反射，一塊光大部分反射、少量透射出去，以使激光可透過這塊鏡子而射出。

被反射回到工作介質(zhì)的光，繼續(xù)誘發(fā)新的受激輻射，光被放大。因此，光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，從部分反射鏡子一端輸出。

下面以紅寶石激光器為例來說明激光的形成。工作物質(zhì)是一根紅寶石棒。紅寶石是摻入少許3價(jià)鉻離子的三氧化二鋁晶體。實(shí)際是摻入質(zhì)量比約為0.05%的氧化鉻。

由于鉻離子吸收白光中的綠光和藍(lán)光，所以寶石呈粉紅色。1960年梅曼發(fā)明的激光器所產(chǎn)用的紅寶石是一根直徑0.8cm、長(zhǎng)約8cm的圓棒。兩端面是一對(duì)平行平面鏡，

一端鍍上全反射膜，一端有10%的透射率，可讓激光透出。

紅寶石激光器中，用高壓氙燈作“泵浦”，利用氙燈所發(fā)出的強(qiáng)光激發(fā)鉻離子到達(dá)激發(fā)態(tài)E3，被抽運(yùn)到E3上的電子很快（～10－8s）通過無輻射躍遷到E2。E2是亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)，

E2到E1的自發(fā)輻射幾率很小，壽命長(zhǎng)達(dá)10-3s，即允許粒子停留較長(zhǎng)時(shí)間。于是，粒子就在E2上積聚起來，實(shí)現(xiàn)E2和E1兩能級(jí)上的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

從E2到E1受激發(fā)射的波長(zhǎng)是694.3nm的紅色激光。由脈沖氙燈得到的是脈沖激光，每一個(gè)光脈沖的持續(xù)時(shí)間不到1ms，每個(gè)光脈沖能量在10J以上；

也就是說，每個(gè)脈沖激光的功率可超過10kW的數(shù)量級(jí)。注意到上述鉻離子從激發(fā)到發(fā)出激光的過程中涉及到三條能級(jí)，故稱為三能級(jí)系統(tǒng)。