定义
激光增益介质中某些掺杂剂的浓度，例如激光活性离子的浓度。
激光增益介质（如稀土掺杂的激光晶体或玻璃（可能以光纤的形式））的一个重要参数是掺杂浓度。 掺杂浓度可以用不同的方式定量指定：
- 掺杂剂的摩尔(原子)百分比(" at。% "或" % at. ")，也常以摩尔PPM(百万分之一)表示。
- 掺杂剂的重量百分比(更准确地说是质量百分比)，也常以PPM wt表示(百万分之一重量)。
- 激光活性离子的数密度N，即每立方米或立方厘米的离子数
下面将更详细地讨论这些规范以及它们之间的关系。
数量密度
数字密度N(以m−3为单位)对于许多计算是有用的。特别是，结合截面数据，它可以很容易地计算吸收和增益系数(见下文)。这也是一种不存在歧义的规范类型。
摩尔百分比
以Nd:YAG制成的激光晶体为例。虽然未掺杂的YAG(钇铝石榴石，Y3Al5O12)对激光辐射是透明的，但可以通过用激光活性Nd3+离子取代一些钇(Y3+)离子来获得激光增益。由于它们具有相同的大小和相同的电荷态，它们很好地适合YAG晶格。
掺杂的摩尔(或原子)百分比是钇(Y3+)离子被Nd3+离子取代的比例。重要的是要考虑到每个石榴石单元Y3Al5O12包含三个钇离子，因此原则上每个单元可以包含三个钕离子。对于摩尔百分比和数密度之间的转换，需要知道一个Y3Al5O12单位的体积，或者是质量密度(这里:4.55 g/cm3)，化学公式和原子质量。 钕离子的数密度为1 at。%掺杂水平可以计算为：
分母是Y3Al5O12单位的质量，由相对原子质量和原子质量单位(接近质子质量)计算得出。固有的假设是，单位电池的平均尺寸不受掺杂的影响；只要掺杂浓度较低，这是一个合理的近似值。
对于Nd:YVO4，计算略有不同，因为只有一个钕离子可以占据一个YVO4单元:
然而，得到的数密度是相似的，因为Nd的数越大3+YAG中每单位的离子被该单位的较大体积抵消。
重量分数
重量的比例（以“% wt.”=重量百分比或“ppm wt.”表示）原则上很容易理解，但应该明确计算哪个重量。 例如，如果激光玻璃掺杂了氧化钕（Nd2O3），可以指定仅钕的重量或氧化物的重量。 如果仅取钕的重量，则Nd：YAG的质量百分比为0.73%，Nd：YVO的质量百分比为0.71%4分别得到，再次假设原子掺杂密度为1%。 重量分数在玻璃材料（包括纤维）中最为流行，然后通常计算整个化合物（例如氧化物）的重量，而不仅仅是激光活性离子的重量。
显然，如果指定一个百分比（或类似的ppm值），而不说明它是表示摩尔（原子）百分比还是重量百分比，则不清楚该数字的含义。 不幸的是，晶体或纤维供应商甚至在科学文献中也经常这样做。 在大多数但不是所有情况下，百分比数字是指原子百分比，而ppm可能更常见的是重量的ppm。 另一个经常遇到的问题是按重量分数计算的规格，而没有说明确切计算的内容（见上文）。
掺杂剂浓度在激光增益介质中的重要性
激光增益介质的掺杂浓度是一个非常重要的参数，因为它对不同的现象有影响：
- 它根据以下公式确定泵浦光（假设光泵浦）的（未漂白）吸收系数αα = N σ腹肌.
- 同样，增益系数（以 1/m 为单位）为g = n2N ，这里n2是激励的可实现分数，假设为四电平增益介质。 （在光纤和其他波导的情况下，还有一个额外的重叠因子，描述光场与掺杂区域的部分重叠。
- 高掺杂密度通常会导致上状态寿命的淬灭。 这可能是由于离子之间的能量转移，离子聚类可以大大增强离子（其程度取决于制造条件）。 除了平均掺杂密度和掺杂剂分布的均匀性外，能量转移的一个重要参数是100%掺杂的数密度，这与晶胞的大小有关：激光活性掺杂剂之间存在距离较大的晶体介质（即使它们位于相邻的晶胞中）， 因此能量转移过程较弱。
- 高掺杂密度也会增加单位体积的耗散功率，从而可能增加温度（可能降低激光效率）和温度梯度，以及它们的影响，如机械应力和热透镜。 然而，这并不总是正确的；例如，对于薄盘激光器，更高的掺杂允许使用更薄的圆盘，可以更有效地冷却。
稀土掺杂块状晶体的典型掺杂浓度在0.1%和3%之间。%. 有一些特殊情况下，掺杂浓度要高得多，原则上可达100 at。%，可以在没有强烈淬火效果的情况下实现。 这方面的一个例子是钨酸盐Yb：KYW = Yb：KY（WO4)2，变为 KYbW = Yb：KYb（WO4)2用于100%镱掺杂。 在某些情况下，这种高掺杂浓度可以用于激光设计，特别是在薄盘激光器的背景下。
稀土掺杂纤维
稀土掺杂的光纤通常只有掺杂有激光活性物质的光纤芯。 通常，它们的掺杂密度在几百到几千ppm wt.之间，即在大多数情况下低于典型的激光晶体。 限制通常由较高掺杂浓度下的淬火趋势设定，有时对于高功率光纤激光器和放大器，则由每单位长度可接受的热量产生来设定。 有限的掺杂浓度与玻璃材料通常较低的过渡横截面相结合，限制了单位长度的增益。 然而，由于长度通常很长，整体增益可能很大。 掺铒纤维（特别是硅酸盐玻璃）的淬灭限制比掺镱纤维更严重。
光纤芯中的掺杂浓度通常不是空间恒定的，特别是在光纤中。 例如，在MCVD工艺中制造的纤维通常表现出沿纤维轴的掺杂浓度下降。 例如，放大器增益和饱和功率的计算通常基于整个光纤芯中恒定掺杂浓度的简化假设，即使这实际上并不现实。
光纤中的“受限掺杂”通常意味着只有部分光纤芯（通常是内部）被掺杂。 例如，这有助于抑制高阶模式的激励，但通常也会增加所需的掺杂密度。 另一种变体是环掺杂，即仅掺杂光纤芯周围的环。
测量或计算兴奋剂浓度
有多种方法可以确定兴奋剂浓度。 其中一些是基于制造过程中已知的，例如添加了多少掺杂剂材料。 然而，这可能并不总是有效，因为人们可能不确定所有添加的材料都溶解在样品中。
或者，当吸收跃迁横截面已知时，通常使用吸收光谱。 在光纤的情况下，通常仅在光纤芯中具有掺杂剂，则可能还需要考虑光纤芯光的重叠因子。
