定义
激光增益介质，其中较低的激光水平具有大量的热诱导群体。
图1：准三级系统。较低的激光水平仅略高于基态。
激光增益介质的早期理论模型区分了四级和三级激光增益介质，它们表现出相当不同的特征，例如在激光器中使用时在阈值泵浦功率方面。后来，人们发现可能存在一种中间情况，其中一个人有四个相关的能级，但第二低的能级仅略高于基态（见图1）。尽管有四个能级，但不能获得典型的四能级行为，因为第二低的能级根据玻尔兹曼分布（通常考虑室温）通过热激发具有大量的人口（例如，基态人口的百分之几）。
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达到透明度（零净增益）。对于更高的泵浦强度，具有正净增益，这是激光操作或信号放大所需的。
在固态激光器的背景下，特别是光纤激光器和光纤放大器中，有许多这种行为的例子。在这里，人们必须处理斯塔克级流形，其中它们之间的光跃迁在频率空间中可能基本重叠，也可能不完全重叠：
图2：在Yb3+:YAG 中Yb3+ 的能量水平和通常的泵浦和激光转换。
- 一个简单的例子是Yb3+：YAG激光晶体，其中激光活性离子（Yb3+） 仅显示两个斯塔克水平流形 （2F7/2和2F5/2），如图2所示，并且可以识别子级别。所有激光跃迁都结束于基态流形的较高子电平，并且仅表现出比泵浦跃迁略长的波长。波长差异小意味着低量子缺陷，这有利于功率转换效率，因此也会导致相对较弱的发热，因此热透镜等有害效应相对较弱。另一方面，这些终端水平的大量人口意味着只有在相当高的泵强度下才能实现正净增益。因此，这种激光增益介质几乎不适合灯泵浦，也只在有限的程度上用于侧面泵浦。端泵然而，Yb：YAG激光器可以达到相当高的功率转换效率，例如具有多千瓦输出功率和效率高于60%的薄盘激光器。
- 镱离子也可用于玻璃，例如作为Yb掺杂纤维。在这里，无法识别不同的子电平，因为光学跃迁强烈重叠。一个有益的方面是大增益带宽。然而，有效过渡横截面会相应减小，这也导致增益降低。根据信号或激光波长，重吸收效应可能强或弱。对于1060nm或更长的波长，它们相当弱，在这种情况下几乎具有四级增益介质的特性，而对于较短的波长，准三级行为变得越来越重要。甚至还有工作在 975 nm 的激光器和放大器，该系统的行为类似于三电平系统。
- 在掺铒光纤放大器中也发现了类似的行为，仅在信号或激光波长在1.5μm区域时，并且通常使用更高的泵浦电平和相应的更大的量子缺陷。然而，也可以进行约1.45μm的带内泵浦。
激发相关增益谱
一个重要的事实是，准三级激光介质中光学增益的光谱形状取决于激发水平，因为这会影响发射和重吸收之间的平衡。这与激光器和放大器有关：
- 对于相对较弱的泵浦，放大器可能主要在较长的波长下表现出增益，而对于较短的波长，净增益变为负值，其中重吸收仍然占主导地位。对于更强的泵浦，增益较短的波长变为正，并且通常上升得更快，因此最终在那里获得最大增益。例如，图3显示了不同激发水平下铒离子的增益谱图。
图3：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。
- 准三级激光器的发射波长通常取决于谐振器损耗：高损耗需要更高的增益，因此需要更高的激发水平，因此最大增益波长更短。（同样，可以通过降低掺杂浓度来降低最大增益的波长，因为这也意味着更高的激发密度。然而，对于低谐振器损耗，激光器将在更长的波长下工作，因为在该区域更快地达到正净增益。
激光效率问题
原则上，准三电平增益介质可以具有非常低的量子缺陷，因此效率很高。然而，重吸收会导致问题，通常会导致功率效率降低：
泵吸收不完全是准三电平增益介质的常见问题。
- 考虑到具有单向泵浦的末端泵浦激光器，很明显，输出端的泵浦强度（相对于泵浦方向）必须仍然足够高才能在那里实现正净增益。这意味着一定的剩余泵功率，无法吸收。因此，即使斜坡效率在吸收泵功率方面非常高，相对于入射泵功率也会大大降低。双向泵送不是解决方案，除非它是通过在输出端反向反射泵浦功率来实现的——然而，这通常是不切实际的。请注意，当需要以高激励水平操作时，泵浦吸收不完全的问题尤其严重 - 例如，在相对较短的波长下利用增益。
- 除了泵吸收不完全之外，荧光还增加了损失，因为需要部分激发的离子来克服重吸收。
另一方面，重吸收并不直接意味着能量的损失，因为它有助于上激光水平的人群。如上所述，它对功率效率的不利影响只是间接影响。
在主要基于Yb掺杂光纤的高功率光纤激光器和放大器中，通过在相对较低的激光或信号波长（通常超过1060 nm甚至1100 nm左右）下工作，在很大程度上避免了镱的准三电平性质。尽管量子缺陷略高，但效率仍然可以超过80%。由于在相当高的信号强度下操作，荧光的损失相对较弱，并且由于我们在长波长下的吸收或信号或激光较弱，泵浦吸收可能相当完全。
常见错误
在文献中，有时会遇到与三电平增益介质相关的各个方面的深刻误解：
- 有时人们不明白，重吸收并不构成真正的能量损失，因为它将离子激发到上层，因此受激发的发射可以在以后再次发生。然而，如上所述，三电平特性往往会由于其他原因而降低激光效率。
- 另一个常见的错误是相信（根据爱因斯坦最初的简单模型）受激发射和重吸收存在相等的跃迁截面，尽管这不适用于具有非简并斯塔克能级的能级流形之间的跃迁的有效跃迁截面，这在固态激光增益介质中经常发生。
- 饱和通量通常不能正确计算：它是光子能量除以发射和吸收截面的总和（而不仅仅是发射横截面）。
- 在三电平增益介质（无论是否在未泵浦区域）中的重吸收不像可饱和吸收器，导致Q开关效应等，这是不正确的。对于这种效应，吸收器的横截面必须大于增益介质的横截面。
参考文献
[1] Spotlight article: “What is different for quasi-three-level lasers?”
[2] Spotlight article: “Nonlinear input-output curves for lasers”
