定义
掺杂铒离子的激光增益介质。
铒（化学符号：Er）是属于稀土金属组的化学元素。 它以三价离子Er3+ 的形式被广泛使用作为基于各种主体材料（包括晶体和玻璃）的增益介质的激光活性掺杂剂。
掺铒玻璃
掺铒玻璃，主要是硅酸盐和磷酸盐类型，既用于体激光器，也用于光纤激光器和放大器。 最常见的激光跃迁（也广泛用于掺铒光纤放大器）是从4I13/2歧管到基态流形4I15/2（图1）。 根据玻璃成分的不同，转变波长通常在1.53至1.6μm之间。 由于该跃迁是准三能级跃迁，掺铒激光器和放大器需要显著的铒离子激发密度，而铒激光器通常表现出高阈值泵浦功率。
图1：三价铒离子的能级结构，以及一些常见的光学跃迁。
最常见的泵方案是基于过渡4I15/2 → 4I11/2波长约为 0.9–1 μm，尽管带内泵浦 （4I15/2 → 4I13/2，例如在 1.45 μm 处）也是可能的。 在硅酸盐玻璃中相对较快的多声子跃迁（由于其高声子能量），导致4I11/2自4I13/2. 上层状态生存期4I13/2大约为8-10毫秒，而由于快速的多声子衰减，所有高洼水平的寿命最多为几微秒。
特别是在块状晶体中，而且在纤维中，泵对4I15/2 → 4I11/2过渡很难实现，因为吸收截面相对较小，并且掺杂浓度受到需要避免过度淬火过程的限制。 解决这个问题的常用方法是用镱（Yb3+）敏化剂离子，导致掺铒-镱的激光增益介质。 镱离子可以有效地吸收泵浦辐射，例如在980nm处，然后将能量传递给基态流形中的铒离子，使它们进入4I11/2。 从该水平，离子迅速转移到上部激光水平4I13/2，从而抑制了能量转移回镱。 掺铒-镱光纤用于掺铒光纤放大器和短光纤激光器等。
Er3+离子在某些主玻璃(如氟玻璃)中的行为完全不同，声子能量较低，这大大降低了多声子跃迁率。在这样的眼镜中，各种更高的能级可以被填充，许多不同的泵浦和激光方案是可能的。例如，有可能实现绿色发射上转换光纤激光器[2]，或发射2.9 μm左右的激光器[12]。
图2：Er：Yb掺杂磷酸盐玻璃中铒离子的吸收和发射截面，数据来自参考文献[10]。
图3：图1数据的有效增益，激励度从0到100%，步长为10%。
除了上述光学和多声子跃迁外，还可能发生许多能量转移过程，特别是对于高掺杂浓度。 例如，可以发生协作上转换，其中一铒离子4I13/2将能量转移到该能级的第二个离子，导致一个离子4I9/2另一个在基态流形中。 由于激发能级众多，也由于团簇中离子的行为不同，很难获得可靠的光谱数据来全面模拟此类过程。
掺铒块状玻璃用于例如在1.5μm光谱区域发射的Q开关激光器（例如微芯片激光器），例如用于测距。 这种玻璃也可以用闪光灯泵送，特别是当吸收效率提高时，例如铬（Cr3+ ） 或镱 （Yb3+） 编码剂。 （这种编码剂可以从泵浦光中吸收额外的能量，并将其部分转移到铒离子上。 然而，掺铒眼镜的主要应用是用于光纤通信的掺铒光纤放大器。
掺铒晶体
铒离子的激光化首先是用高度掺杂的Er：YAG晶体实现的[1]。 在这种情况下，激光跃迁4I11/2 → 4I13/2，发射波长约为2.9μm。 对于低掺杂浓度，这种激光跃迁将是自终止的，因为较低能级的寿命明显长于较高能级。 然而，对于高铒浓度，复杂的能量转移过程会改变这种情况。
Er：YAG激光器也可以在4I13/2 → 4I15/2跃迁，然后发射约1.645μm。 高效操作可以通过带内泵浦来实现，例如使用发射 1.53 μm 的掺铒光纤激光器。
Er：YAG晶体可以用闪光灯或（更有效）激光二极管泵浦。 它们通常用于调Q激光器。 2.9μm光在水中被强烈吸收，使这种激光器适用于各种医疗应用。
铒有时也用于其他激光晶体，如Er：YLF，Er：YALO，钨酸盐和钒酸盐。
参考文献
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