激光增益介质

在激光物理学的范畴内，激光增益介质是一种能够放大光功率（通常以光束的形式）的介质。在激光器中需要这样的增益介质来补偿谐振器的损耗，它也称为有源激光介质，与无源光学元件相反，不提供放大功能。它也可用于光放大器中，术语增益指放大的量。

当增益介质向放大的光增加能量时，它自身必须通过泵浦过程接收一些能量，这通常会涉及电流（电泵浦）或一些光输入（光泵浦），通常波长小于 信号波长。

激光增益介质的类型

有多种非常不同的增益介质； 其中最常见的是：

• 一些直接带隙半导体，例如GaAs, AlGaAs, InGaAs，它们通常是由电流泵浦，以量子阱的形式（参阅半导体激光器）。
• 激光晶体或者玻璃，例如Nd:YAG（掺钕钇铝石榴石），Yb:YAG（掺镱YAG），Yb：玻璃，Er:YAG（掺铒YAG），或者钛蓝宝石，以固体片状形式或者光学玻璃光纤（光纤激光器，光纤放大器）。这些晶体或者玻璃掺杂了一些激光活性离子（大多数情况下为三价稀土元素离子，有时为过渡金属离子），并且用光波泵浦。采用这些介质的激光器通常被称为掺杂绝缘子激光器。
• 陶瓷增益介质，通常也掺杂稀土元素离子。
• 在染料激光器中采用激光染料，通常是液体溶液。
• 气体激光器是采用一些气体或者气体混合物，通常采用放电器泵浦（如CO2激光器和受激准分子激光器）。
• 一些特殊的增益介质，如化学增益介质（将化学能转化成光能），核能泵浦介质，还有自由电子激光器中的波荡器（将快电子束中的能量转移到光束中）。

相比于大多数的晶体材料，离子掺杂的玻璃具有更大的放大带宽，允许较大的波长调谐范围和超短脉冲的产生。缺点是较差的热性能（限制了可实现的输出功率）和较低的激光器横截面，导致较高的阈值泵浦功率和（对于被动锁模激光器）Q 开关不稳定性的趋势更强。

晶体、陶瓷和玻璃的掺杂浓度通常需要经过仔细调配。在短波长处存在强泵浦吸收的情况下需要掺杂浓度比较高，但是这也会引起与淬灭过程相关的能量损耗，例如由于激光活性离子团簇引起的上转换过程和能量转移到缺陷。

重要的物理效应

大多数情况下，放大过程的物理基础为受激辐射，也就是入射的光子引发更多的光子辐射，这是激发的激光活性离子先跃迁一个稍低能量的激发态。四能级增益介质和三能级增益介质的过程是有差别的。

一个不太常用的放大过程是受激拉曼散射，涉及将一些高能泵浦光子转换为低能级的光子和声子（与晶格振动相关）。如果入射光功率很高，增益介质达到增益饱和后，增益会降低。也就是说，在有限的泵浦功率时，放大器无法将任意多的功率增加到入射光束中。在激光放大器中，饱和与受激发射引起的上激光能级的粒子数减少有关。

增益介质中存在热效应，由于一部分泵浦光功率被转化成热量。由此产生的温度梯度和随后的机械应力会导致热透镜效应，使放大的光束变形，也会出现去极化损失。热效应可以破坏激光器的光束质量，降低其效率，有时甚至破坏增益介质（热断裂）。

相关物理特性

• 增益介质的多种物理特性可能与激光器的使用有关，主要包括：
• 在需要波长区域的激光跃迁过程，最好峰值增益发生在此区域；
• 在工作波长区域基质介质具有高度的透明度（低折射率）；
• 好的泵浦光源，实现高效的泵浦吸收；
• 合适的上能级寿命，在调Q开关应用时要足够长，需要对功率进行很快调制时需要足够短；
• 高的量子效率，由低淬灭效应，激发态吸收等获得，但也可能通过足够强的有益效应，如某些多声子转换或能量转移获得；
• 理想的四能级系统，因为准三能级行为引入一些其它额外的约束条件；
• 坚固耐用，使用寿命长，化学稳定性好
• 对于固态增益介质：基地介质需要具有好的光学质量，可以切割或者抛光的很高质量（合适的硬度），允许掺杂高浓度的激光活性离子而不会形成团簇，化学稳定性好，好的热传导性和低热光系数（高功率工作时弱的热棱镜效应），抗机械应力，光学各向同性通常需要，但有时双折射（减小热去极化效应）和与偏振相关的增益也会需要（参阅激光辐射的偏振）
• 高增益时的低泵浦功率阈值：辐射截面与上能级寿命的乘积比较大；
• 对泵浦光源的光束质量要求低：高的泵浦吸收是需要的；
• 波长调谐：需要大的增益带宽；
• 超短脉冲产生：增益谱宽并且平坦；合适的色散和非线性；
• 无需调Q稳定性的无源锁模激光器：足够大的激光截面；
• 高能脉冲放大（正反馈放大器）：高的光学损伤阈值和不太高的饱和对增益的影响。

注意在有些情况下需要一些相互冲突的要求。例如，非常低的量子缺陷是与四能级系统不符合的。大的增益带宽对应的激光截面与理想状况下相比较小，并且这样量子缺陷不会很小。固态增益介质中的无序性提高了增益带宽，但是同时也降低了热传导性。短的泵浦吸收长度是有利的，但是这会加剧热效应。

不同的情况下对增益介质的要求不同。因此，很多增益介质对于应用还是非常重要，在优化激光器的设计时选择合适的增益介质是非常必要的。