定义
激光增益介质，没有/有从较低激光能级重吸收的激光增益介质 。
激光增益介质（激光或激光放大器）中的光放大来自受激发射，其中输入光诱导激光活性离子从某种激发态跃迁到较低状态，并获得与激发能量降低相关的能量。 增益介质的特性在很大程度上取决于激光活性原子或离子的能级方案类型。 虽然所涉及的水平的数量并不是真正的关键方面，但通常根据具有三个或四个能级的简化方案来区分截然不同的情况。 在实践中，介质可能具有额外的能级，这不一定会影响激光特性。
在最简单的情况下，人们正在处理明确定义的能级，例如孤立的原子或离子。 在固态激光增益介质中，情况要复杂一些，涉及斯塔克级流形。 本文中的解释从简单的能级开始，但稍后也会考虑斯塔克能级流形。
三级系统
很早就意识到，对于激光放大，至少需要三个能级；两个水平是不够的，因为光泵浦永远不会导致种群反转，这是正激光增益（光放大）的要求。 在这种情况下，不能同时发生泵吸收和信号放大。
图1：三级系统的能级图。水平线表示能量水平；一条线越高，相应的能量就越高。
泵送还需要一个能量水平，请参见图 1 的左侧部分。 泵浦将原子（或离子）从基态转移到高于上激光能级的水平，原子可以从该水平（通常通过非辐射跃迁）进入上部激光能级。 一个重要的方面是原子不能通过泵浦辐射的受激发射推回基态，因为它们的激发能量太低了——它们不能再“看到”泵浦光了。 因此，通过足够强度的泵浦，可以达到远高于50%的上激光能级，从而高于下激光能级（基态）；达到总体反转。 在这种情况下，激光波长的受激发射主导该激光跃迁的重吸收，因此产生正净增益，可用于放大或激光操作。
由于群体反演要求一半以上的原子处于上激光能级，因此需要具有相当高光强度的泵浦。 在激光的情况下，阈值泵浦功率会相应高，这通常是有问题的。
三级激光介质的一个流行例子是红宝石（Cr3+:Al2O3 ），正如Maiman用于第一个激光器一样，尽管由于斯塔克级流形，情况实际上要复杂一些（见下文）。
纯三电平激光增益介质很少使用，而准三电平介质（见下文）非常普遍，特别是在光纤激光器和光纤放大器的情况下。
四级系统
图2：典型的四级系统。激光跃迁在高于基态的水平上结束，基态迅速减少。
使用四能级激光介质可以实现低得多的阈值泵浦功率，其中较低的激光能级远高于基态（见图2），并且通过多声子跃迁（在固态介质的情况下）或碰撞（在气体中）迅速减少填充。 理想情况下，即使在激光操作期间，较低的激光水平也不会发生明显的人口密度，因为较低的激光水平非常短暂。 通过这种方式，在很大程度上避免了激光辐射的重吸收（前提是其他跃迁没有吸收）。 这意味着在未泵浦状态下不会吸收增益介质，并且在上激光水平中相当低的群体中已经实现了正的净增益。 增益通常随吸收的泵功率线性上升。
最流行的四电平固态增益介质是Nd：YAG。 所有基于掺钕激光增益介质的激光器，除了在0.9-0.95μm左右的基态跃迁上运行的激光器外，都是四能级激光器。
钕离子也可以直接泵入上部激光能级，例如，Nd：YAG的泵浦光约为880 nm。 虽然这减少了量子缺陷，从而可能提高激光效率，但它也开辟了泵浦辐射的受激发射的可能性，减少了上州人口。 后者不一定是问题，因为相当低的上激光水平群体就足够了。 尽管实际上只涉及三个层次，但这里不会使用三级系统一词。
准三能级系统
图3：准三级系统。
准三能级激光介质是一种具有中间情况的介质，其中较低的激光能级非常接近基态（见图3），以至于该能级中的明显群体在工作温度下处于热平衡状态。 因此，未泵浦增益介质在激光波长处会导致一些重吸收损失，并且仅在某些有限的泵浦强度下才能达到透明度。 对于更高的泵浦强度，有激光操作所需的增益。
有关更多详细信息，请参阅有关准三电平激光增益介质的文章。
斯塔克能级流形
激光增益介质中使用的原子和离子表现出斯塔克能级流形。 根据原子与其邻域的相互作用有多强，以及该邻域的性质在不同原子之间有多大差异，人们可能无法在光谱上解析不同的斯塔克水平。
通常，在固态激光增益介质的激光模型中，处理的是整个斯塔克能级流形，而不是它们的所有子能级。 然后，通过有效的跃迁横截面来表征光学跃迁的强度，这些横截面本质上与温度有关。 在这种情况下，人们仍然可以应用有关三级或四级转换的基本推理，但请记住，某些细节会变得更加复杂。 例如，可能需要考虑不同水平退化的影响。 此外，例如，基态流形的简并性提升得如此之多，以至于人们获得了准三能级系统而不是三能级系统：人们利用激光跃迁结束于基态流形的最高子能级，这些子能级只有有限的热人口。
四级和三级特性之间的平滑过渡
实际上，随着激光波长的增加，可以从三电平增益特性平滑过渡到四级增益特性。 例如，掺铒玻璃（见图4）在1535 nm附近表现出强烈的三级行为，但对于长波长（例如超过1600 nm）则显示出近四级行为。 同样，掺镱玻璃在波长低于≈ 1040 nm时表现出明显的三能级特性。 为了在如此短的波长下工作，需要较大的反转密度来克服重吸收损失。 对于较长的波长，有时特别是在光纤激光器中使用，几乎没有任何重吸收，并且在长光纤中，可能只需要非常低的激发密度即可获得足够的增益。
图4：铒（Er）的增益和吸收（负增益）3+）锗铝硅酸盐玻璃中的离子，激发水平从0到100%，步长为20%。在1530 nm处发生强烈的三能级行为（仅在50%激发>达到透明度）。在较长的波长（例如1580nm）下，获得增益需要较低的激发电平，但最大增益较小。
进一步说明
对于具有非常小量子缺陷的增益介质来说，明显的三能级行为是不可避免的，因为这会在较低的激光能级和基态之间强制产生较小的能量间距，因此较低激光能级的热人口是显着的。
通过降低激光晶体的温度，可以获得不太明显的三能级特性，即降低激光波长的重吸收程度。 这主要是因为基态流形的较高子水平中的人口减少了。 例如，Yb：YAG在室温下操作时在1030nm处具有明显的三级特性，而在77 K（液氮温度）下进行低温操作时基本上获得了四级特性。
请注意，半导体激光器的增益介质实际上也表现得像三电平激光器，在未泵浦状态下表现出损耗，增益光谱的形状取决于激发密度。
参考文献
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[4] Blog article: What is different for quasi-three-level lasers?
