三能级系统

第一台红宝石激光器是三能级系统，红宝石基质中存在E₀，E₁，E₂三个能级，其中E₀是稳态，E₂是激发态，E₁是亚稳态。

最初激光材料内所有的原子都处在最低能级E₁，当这些材料在某些频率的辐射激励下，能级E₁的粒子吸收辐射跃迁到宽带能级E₃。这样，泵浦灯使原子从基能级上升到“泵浦带”，即能级E₃。

通常“泵浦带”（能级E₃）由很多能带组成，因此光泵浦可以在很宽的光谱范围内完成。大多数被激发粒子，通过快速无辐射跃迁转移到中间能级E₂。在这一过程中，电子丧失的能量转移到晶格中，最后电子通过光子的辐射返回到地基态，正是这最后的跃迁产生激光作用。

如果泵浦强度小于激光阈值，能级E₂的原子就会以自发辐射的方式返回到基态，普通的荧光作用就是能级E₂中粒子数的消耗。当泵浦辐射停止后，能级E₂以一定的速率发出荧光，直至粒子数耗尽，该速率因材料的不同而不同。

在室温中，红宝石能级E₂的寿命为3ms，当泵浦强度超过阈值时，荧光能级的衰变就包括受激辐射和自发辐射。受激辐射产生激光输出光束，因为激光跃迁的终端能级是粒子数很多的基态，所以在2-1跃迁反转之前，E₂能级的粒子必须达到非常高的密度。

一般说来，在三能级激光器中，从最高能级向产生激光作用能级的无辐射转换速率必须要快于其他的自发跃迁速率。因此E₂能态的寿命要长于3-2跃迁的弛豫时间，与其他两个能态中的原子数相比，E₃能级的原子数N3可以忽略不计。

N₃ << N₁、N₂    N₁+N₂ ≈ N_tot

在三能级系统中有一个方面很重要，即原子实际上从能级E₁直接泵浦到亚稳能级E₂，它在能级E₃只有短暂的停留时间。根据这些条件，我们可以像只存在两个级别一样进行计算。为了使E₂级和E₁级之间的原子数量相等，所有原子的二分之一必须被激发到E₂级。

为了维持特定的放大第二能级中的粒子数一定要大于第一能级中的粒子数。然而，在绝大多数具有实际意义的情况下，与所有离子的总数相比，必要的反转（N₂ - N₁）很小。维持这种反转所需的泵浦的功率与实现等量级所需的功率相比小很多。

三能级系统的缺点

• 基态中一半以上的原子必须上升到亚稳态能级E₂。因此存在许多有助于自发辐射的离子。
• 参与泵循环的每个离子都将能量从E₃→E₂跃迁转移到晶格中，这种跃迁通常是无辐射的，能量由声子携带到晶格中。