1960年，世界上的第一束人造激光刺破了加州修斯实验室的宁静，西奥多·梅曼发明的红宝石激光器，开启了人类创造激光、利用激光改造世界的大门。此后五十余年来，激光科学发展迅猛，激光技术的普及应用也从方方面面走进了人们的生活。但多数人只是知道激光有这样那样的用途，却不知道激光到底是怎么来的。因此，本文将用相对通俗的语言，为大家讲解激光形成的原理。

要弄懂激光形成的原理，首先了解一下什么是能级。简单来说，能级就是每一个原子（实际上核外电子）携带一定能量的状态，不同的能级表示原子携带的能量不同。能级越高，意味着核外电子能量越高，越容易脱离原子核的束缚。为方便理解，以原子结构最简单的氢原子为例进行讲解。

氢原子能级结构图

n表示量子数，对应原子的能级E。n＝1时，表示的是氢原子稳定状态下的能级，称为基态（E₁能级）。n＝2、3、4等，称为激发态（E₂能级、E₃能级、E₄能级等）。根据丹麦物理学家玻尔的理论，原子处于稳定的基态时，如果受到外界的激发，吸收相应的外界能量，会跃迁到较高的能级上形成激发态。而原子在激发态时是不稳定的，当原子处于激发态时会自发地向较低能级跃迁，经过一次或几次跃迁到达基态，在向低能级跃迁的过程中会释放相应能量。这个相应能量以一定频率的光子的形式存在，可由能级图右侧数值计算得出，光子能量E＝hν＝E_m－E_n。h是物理学家测出的固定值（普朗克常量），ν表示光子的频率（由激发态向基态跃迁时释放光子的频率，就是原子对外辐射光的频率，形成激光时也就是该激光的频率，这决定了激光的波长λ＝c／ν，c为光速）。

理解能级结构之后，来看看激光是怎么形成的。同样为方便理解，还是以结构最简单的红宝石激光器为例进行讲解。红宝石激光器属于固体激光器，工作物质是红宝石棒，晶体基质为Al₂O₃，掺有占总重量0.05％的Cr₂O₃。红宝石中的激光作用是通过Cr^3＋（铬离子）的受激发射过程而实现的，因而Cr^3＋通常称为激活离子，它是红宝石中产生激光的“主体”。而红宝石的主要成分氧化铝只是容纳铬离子的基质，对激光作用只起间接作用。其能级结构如图所示：

当泵浦光照射红宝石时，处于基态的Cr^3＋离子吸收特定波长的光跃迁到E₃能级，Cr^3＋离子在这个能级上寿命很短（极不稳定，约存在10^－9s），因而迅速通过无辐射跃迁（无辐射跃迁是指原子通过原子碰撞的形式将能量与外界进行交换，即晶体内部热运动，从而发生能级改变，期间既不发射也不吸收光子）跃迁到E₂能级。E₂能级寿命较长（约有3ms），称为亚稳态能级，在这个能级上可以聚集较多的Cr^3＋离子。当外界泵浦足够强的时候，会在E₂能级和E₁能级间形成粒子数反转，即E2能级上Cr^3＋离子数量比E1能级多。在实现粒子数反转后，每一个能量为hν的外来光子都将激发E2能级上的一个原子使其跃迁到基态，同时释放一个能量为hν的光子，光子总能量也就1变2，2变4，4变8……从而实现了受激辐射放大（增益）过程。由于光学谐振腔对光增益存在损耗，只有受激辐射放大的增益大于激光器内的各种损耗时，才会输出激光。

下面对红宝石激光器结构进行讲解，有条件的话，可以自己动手制作一个简易的红宝石激光器哦。