定义
激光活性介质中的掺杂离子可以在彼此之间交换激发能量的现象。
在各种情况下，来自某些原子或离子的激发能量可以转移到另一个原子或离子，无论是相同类型还是来自不同物种。 可能涉及不同的物理机制：
- 在固态介质中，原子或离子的位置基本上是固定的，如果所涉及的物质在某些水平之间具有相似的能量差异，则可以通过偶极子-偶极子共振发生相互作用。 这种相互作用的强度随着原子之间距离的增加而迅速降低。 因此，对于具有高浓度相关原子或离子的介质，这种过程变得更加强大。 请注意，尽管此类过程的速率可能相对较小（例如，仅产生每秒10.000次量级的一个离子的激发速率），但由于频繁发生（弱）禁止跃迁，它们很容易变得比同样相当小的辐射跃迁速率大。
- 在气体中，激发的原子、离子或分子可能与其他物质碰撞，并在这种事件中转移能量。 这在一些气体激光器中被利用，例如在氦氖激光器中，其中亚稳氦原子在气体放电中产生，随后将能量转移到氖原子。 例如，当原子与固体玻璃管碰撞时，也可以将能量转移到实心玻璃管中。
固态增益介质中的能量转移
特别是在高掺杂固态增益介质（激光晶体、玻璃和稀土掺杂光纤）中，不同掺杂剂离子之间可能发生能量转移。 这背后的主要机制通常是紧密定位的离子之间的偶极子-偶极子共振相互作用（Förster能量转移），而不是荧光光子的发射和重吸收，尽管后一种机制在更长的距离上可能很重要。 由于偶极-偶极相互作用的强度随着离子之间距离的增加而迅速消失（距离的六次方的反比），其总体重要性在很大程度上取决于掺杂浓度、晶体晶胞的大小以及离子形成团簇的趋势。
如果“给予”离子（供体）的能量损失大于“接受”（受体）离子的能量增益，多余的能量可以被一个或多个声子带走。 然后处理（多）声子辅助能量转移。
还有其他类型的能量转移过程，例如发生在液体中的分子之间（可能涉及电子交换）或气体中碰撞的原子或分子之间。
能量转移过程的强度可以用速率方程模型中的能量传递参数来量化。 然后，特定能量转移过程的速率通常被描述为该参数与所涉及的电子能级的激励密度的乘积。
能量转移的影响
激光增益介质中能量转移的主要影响是：
图1：同一物种的离子之间的能量转移。
- 激发能量通过相同种类的激光离子之间的能量传输在增益介质内传输（能量迁移）（图 1）。 例如，这可能发生在高度掺镱的晶体中。 这样的过程不会直接改变存储的能量，但仍然会以正向和负极的方式影响激光效率：效率可以提高，例如在具有强烈空间空洞燃烧的单频激光器中（后者因能量迁移而降低），但是当激发能量被传输到发生非辐射衰减的晶体缺陷时，效率也会严重降低。 在其他情况下，能量迁移有助于能量转移到其他离子（例如Er3+，见下文）。
图2：从Yb3+ 到Er3+ 的能量转移
- 不同种类的离子之间的能量传递常用于激光和放大器。例如，Yb3+(镱)离子可以有效地吸收泵浦辐射，然后将它们的激发能量转移到铒(Er3+)离子，然后这些离子非辐射地衰减到较低的能级(图2)。该能级充当向基态跃迁的上层激光能级。Yb3+离子作为敏化剂离子，由于允许更高的掺杂浓度和更大的Yb3+离子吸收截面，允许更有效地泵浦Er3+受体离子。 掺铒镱光纤允许，例如，结构很短(通常是单频)1.5 μm光纤激光器和放大器。(详见掺铒镱激光增益介质的文章)同样，掺杂Tm3+/Ho3+的光纤可以利用从铥离子到钬离子的能量转移。在体激光器中，Cr3+离子(例如在Nd3+:Cr3+:GSGG中)可以吸收闪光灯的辐射并将其能量转移到Nd3+离子；因此，铬掺杂可以使光泵浦激光器更加高效。
图3：两个离子的交叉弛豫。
- 能量转移会导致离子的交叉弛豫（图3）：一个激发的离子将其部分能量转移到另一个处于基态的离子上，因此两者都处于某个中间水平。 例如，在一些掺铥的2μm激光器中，这种过程是有帮助的，其中可以实现远高于单位的量子效率（每个原始激发的离子在上激光能级中有一个以上的离子），但在其他情况下，激光效率可能会降低。
- 在其他情况下，能量转移有助于减少自然长寿命的较低激光水平，否则会导致自终止激光跃迁。
图4：合作（俄歇）上转换。
- 能量转移在上转换激光器中也很有用。 基于这种能量转移的上转换，其中一个离子使用来自另一个离子的能量进入更高的电子状态（图4），通常称为俄歇上转换或协作上转换。 这种上转换是通过随后吸收泵浦光子来上转换的替代方案。 它的优点是只需要一个泵源。 另一方面，很容易发生额外的不需要的能量转移过程。 在不需要上转换的激光器中，协作上转换过程也是有害的，但在这种情况下，原则上可以通过使用具有较低掺杂浓度的增益介质来减少它们。
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