激發(fā)系統(tǒng)在1秒內躍遷回基態(tài)的原子數(shù)目稱為“躍遷機率”，通常以“A”表示。大多數(shù)同種原子的平均躍遷機率都有固定的數(shù)值。躍遷率A與平均壽命τ的關系：A＝1/τ由于原子內部結構的特殊性，決定了各能級的平均壽命長短不等。例如紅寶石中的鉻離子E3的壽命非常短，只有10－9秒，而E2的壽命比較長，約為數(shù)秒。壽命較長的能級稱為“亞穩(wěn)態(tài)”。具有亞穩(wěn)態(tài)原子、離子或分子的物質，是產(chǎn)生激光的工作物質，因亞穩(wěn)態(tài)能更好地為粒子數(shù)反轉創(chuàng)造條件。
三、粒子數(shù)反轉和激光的形成
當光子通過某一介質時，它可能被原子（或離子、分子）所吸收，從而使原子從低能級激發(fā)到高能級去，這個過程稱為“共振吸收”或稱光的受激吸收。另外，入射光也能引起處于高能級的原子發(fā)生受激輻射。
在一般情況下，處于低能級的原子數(shù)目遠遠超過處于高能級的原子數(shù)目。要想得到受激輻射，就必須先使原子（或離子、分子）激發(fā)到高能級去。人為地施加一定能量，使高能級上具有較多的粒子數(shù)分布，這種狀態(tài)稱為“粒子數(shù)反轉”。產(chǎn)生粒子數(shù)反轉的物質就稱為活性物質。如何實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，下面以紅寶石激光器為例加以說明。
紅寶石激光器的激發(fā)是通過氙燈輸送能量。E1、E2、E3是鉻離子相對應的三個能級，使鉻離子從基態(tài)E1激發(fā)到共振吸收帶E3上去，形成了E3對E2粒子數(shù)反轉。但是由于E3的壽命很短（即自發(fā)躍遷機率很大），因此鉻離子的能級就很快地并且以無輻射躍遷的形式落入E2中，同時放出熱能。E2是壽命較長的亞穩(wěn)態(tài)，躍遷機率較小，因此E2就積聚了大量的鉻離子。當氙燈光足夠時，則E2上的粒子（鉻離子）數(shù)就大為增加，此時E2對E1來說就出現(xiàn)了粒子數(shù)反轉（圖4-26-7（2））。若用E2與E1間躍遷相對應頻率[γ＝（E2-E1）/h]的光子引發(fā)時，上述活性系統(tǒng)就可產(chǎn)生E2對E1的受激輻射。受激輻射可以使光放大，這種放大是由于該系統(tǒng)受激發(fā)時從外部吸收的能量和引發(fā)的能量一舉放出的結果。
處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的活性系統(tǒng)，可以產(chǎn)生“雪崩”。雪崩過程可以使光再次放大。該過程的繼續(xù)進行，必須通過一定的裝置，這種裝置就是光學共振腔。從共振腔中持續(xù)發(fā)出來的、特征完全相同的大量光子就是激光。
四、光學共振腔
激光所以具有良好的單色性、方向性以及較高的亮度，主要是取決于光學共振腔的作用。于工作物質的兩端加上兩快相互平行的反光鏡，其中一塊是全反射鏡，另一塊是半反射鏡，這就是光學共振腔的主要結構。
在光學共振腔中的活性物質，受到外加能量的激勵而產(chǎn)生的光子可以射向各個方向，但其中傳播方向與反射鏡垂直者，則在介質中來回反射振蕩。在反射振蕩的過程中，引發(fā)介質中其它活性物質點受激輻射，因此這種輻射的強度越來越大。由于受激輻射反復振蕩產(chǎn)生的大量光子都具有相同的特征和一致的傳播方向，因此決定了激光具有良好的單色性和準直的定向性。又由于光子來回不斷地進行振蕩，輻射強度借以得到極度的增大，因此又保證了激光的高度性。