紅寶石激光器一般地包括紅寶石棒、脈沖氙燈、聚光器和光學(xué)諧振腔等四部分。其工作物質(zhì)是紅寶石棒，它是以摻鉻的氧化鋁（Al2O3）人工晶體（通常稱紅寶石）磨制而成。其中鉻離子的濃度，按氧化鉻與氧化鋁的重量比，典型的為0.05%。紅寶石棒的光學(xué)質(zhì)量要求很高，將棒的兩端研磨和拋光成光學(xué)平行平面，其平行度要求優(yōu)于10秒，平面度不低于1/4光圈，端面與棒軸的垂直度不低于1分，側(cè)面不拋光，以防止產(chǎn)生寄生的激光振蕩。在棒的兩端（通常在聚光器之外）各置一鍍多層介質(zhì)膜的反射鏡，其一是全反射鏡，另一個(gè)為半透半反鏡（其反射率可取70~90%），此兩反射鏡構(gòu)成激光器的諧振腔。

　　紅寶石激光器通常采用光激勵(lì)的辦法，即用脈沖氙燈發(fā)出的光能集中地照射在紅寶石棒上，可利用一聚光器。聚光器是一內(nèi)壁拋光鍍金屬的橢圓柱形的腔體，氙燈和紅寶石棒并排對(duì)稱地放在聚光器橢圓柱腔的兩個(gè)焦線上。

　　紅寶石激光器的結(jié)構(gòu)

　　紅寶石中的激光作用是通過Cr3+（鉻離子）的受激發(fā)射過程而實(shí)現(xiàn)的，因而Cr3+通常稱為激活離子，它是紅寶石中產(chǎn)生激光的“主體”。而紅寶石的主要成分氧化鋁只是容納鉻離子的基質(zhì)，對(duì)激光作用只起間接作用，因此為了弄清紅寶石激光器的工作原理，需要對(duì)紅寶石中的鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)及其光學(xué)特性進(jìn)行闡述。

　　圖2-11示出了紅寶石中Cr3+離子的與激光作用有關(guān)的部分能級(jí)圖。它是根據(jù)對(duì)紅寶石晶體的吸收光譜的觀察結(jié)果和晶場(chǎng)理論繪出的。如圖所示，鉻離子的基態(tài)為4A2能級(jí)，激發(fā)態(tài)4F1和4F2是兩能態(tài)分布較寬的能級(jí)；激發(fā)態(tài)2E是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)，它是由兩個(gè)分能級(jí)2ā和ē組成，它們之間的能量差為29cm-1。

　　應(yīng)當(dāng)指出，紅寶石中鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)和自由狀態(tài)的鉻離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)有明顯差別。這是因?yàn)榧t寶石中的鉻離子處在紅寶石基質(zhì)原子組成的晶格電場(chǎng)中，受這種晶格場(chǎng)的作用較大，使原來自由狀態(tài)的鉻離子的能級(jí)發(fā)生較大的分裂和改組。所以紅寶石中鉻離子的能級(jí)符號(hào)不能再用一般原子光譜中的符號(hào)來表示，需要特別的晶場(chǎng)理論中所規(guī)定的符號(hào)。

　　圖2-12示出了紅寶石晶體的Cr3+離子的吸收光譜。由圖可見，在3600A到4500A和5100A到6100A的兩個(gè)光譜區(qū)內(nèi)有兩個(gè)較寬的吸收帶（帶寬約500A）。前一吸收帶的峰值位于4100A附近的紫光區(qū)，稱紫帶；后一個(gè)吸收帶的峰值位于5500A附近的綠光區(qū)，稱為綠帶。這兩個(gè)吸收帶的吸收系數(shù)比較大，它們分別對(duì)應(yīng)于從基態(tài)4A2到激發(fā)態(tài)4F2和4F1態(tài)的躍遷，另外在6943A和6927A處有兩個(gè)弱而銳的吸收譜線R1和R2線，它們統(tǒng)稱為R銳線系，這兩條譜線對(duì)應(yīng)于從基態(tài)4A2到2E態(tài)的兩個(gè)分能級(jí)2ā和ē的躍遷。另外無論是寬的吸收帶，還是銳的吸收線，也具有各向異性的光吸收特性，它們對(duì)于平行于晶體光軸C的和垂直于光軸C的電矢量的光波，具有不同的吸收值，這是因?yàn)榧t寶石不是單軸晶體。其他與激光作用關(guān)系不大的光譜，這里不再詳述。

　　圖2-13示出了紅寶石晶體的熒光光譜。它是用連續(xù)發(fā)光的碘鎢燈發(fā)出的光，經(jīng)透鏡聚焦后照射到紅寶石上，紅寶石則發(fā)出熒光，再用攝譜儀攝譜得到的，可以看到熒光是由兩條熒光譜線組成的，譜線的中心位置恰好與R銳線系的吸收線一致，因此也把它們稱作R熒光譜線，譜線的寬度約為7A，熒光譜線R1的強(qiáng)度比R2的大，這說R1線的自發(fā)輻射躍遷幾率要比R2的大，除此而外，沒有出現(xiàn)其他的熒光譜線。

　　紅寶石的熒光光譜實(shí)驗(yàn)證明，碘鎢燈發(fā)出的可見連續(xù)光照射紅寶石時(shí)，其中一部分可見光（紫光和綠光）被紅寶石中的鉻離子吸收。鉻離子吸收了合適的能量后，就從基態(tài)4A2躍遷到激發(fā)態(tài)4F1和4F2上，處于該兩能態(tài)的鉻離子是不穩(wěn)定的。由于晶體內(nèi)部熱運(yùn)動(dòng)的擾動(dòng)，很快地向能級(jí)2E躍遷（無輻射），躍遷的馳予時(shí)間為10-6秒。最后，當(dāng)鉻離子從2E回到基態(tài)4A2時(shí)，則發(fā)出R熒光譜線。實(shí)驗(yàn)測(cè)得，當(dāng)用3600A至6100A波段的可見光激發(fā)熒光時(shí)，紅寶石的這兩條熒光譜線的熒光量子效率比較高。即被激發(fā)到4F1和4F2態(tài)的鉻離子，其相當(dāng)大的一部分是通過躍遷到2E態(tài)這一中間過程，而最后回到基態(tài)4A2。實(shí)驗(yàn)還表明，室溫下R熒光譜線的壽命比較大，約3毫秒。這反映了能級(jí)2E是一亞穩(wěn)態(tài)。

　　從上面所述的紅寶石的能譜特性可知，鉻離子在外激勵(lì)源的作用下，在2E態(tài)和基態(tài)4A2間可能造成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，使受激發(fā)射的產(chǎn)生成為可能，因此紅寶石被選為受激發(fā)射光的材料。從紅寶石產(chǎn)生激光作用的有關(guān)能級(jí)看，其鉻離子的能級(jí)圖2-11可簡化為三能級(jí)系統(tǒng)的模型，如圖2-3所示，能級(jí)E1相當(dāng)于圖2-11中的4A2。激光躍遷發(fā)生于E2和E1之間，E3是泵浦能級(jí)，前面對(duì)三能級(jí)系統(tǒng)分析的結(jié)果對(duì)紅寶石激光器是完全滿足的。

　　計(jì)算表明，要實(shí)現(xiàn)激光振蕩，紅寶石棒上每平方厘米的光照功率至少要1200瓦。這樣高的光照功率，使用一般的照明光源是達(dá)不到的，脈沖氙燈是可用的合適激勵(lì)光源。