紅寶石激光的工作原理涉及一個閃光燈、激光介質(zhì)和兩塊鏡子。紅寶石晶體是激光介質(zhì)，其中含有微量的鉻原子。當(dāng)閃光燈激活激光介質(zhì)時，鉻原子的最外層電子會被激發(fā)并躍遷到更高能級。這些電子隨后通過釋放光子回到低能級。這些光子在兩塊鏡子之間反射，增強(qiáng)激光的強(qiáng)度。其中一面鏡子反射大部分光子，讓其余的通過，從而形成可見的激光束。為了產(chǎn)生激光，必須實(shí)現(xiàn)所謂的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。以紅寶石激光為例，原子首先吸收能量并躍遷到受激態(tài)。這個狀態(tài)非常短暫，大約持續(xù)幾百分之一秒。原子隨后會落到一個亞穩(wěn)態(tài)，這個狀態(tài)比基態(tài)能維持更長時間。由于原子在亞穩(wěn)態(tài)停留時間較長，亞穩(wěn)態(tài)中的原子數(shù)量會多于基態(tài)，這種粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是激光產(chǎn)生的關(guān)鍵。它確保了從亞穩(wěn)態(tài)回到基態(tài)的原子通過受激輻射放出的光子多于從基態(tài)躍遷到亞穩(wěn)態(tài)放出的光子，從而增加了介質(zhì)內(nèi)的光子數(shù)量，最終產(chǎn)生了激光輸出。