铒玻璃的吸引力主要在于其波长范围（大约1.53–1.56 µm）所带来的眼部安全性。对于裸眼而言，1.54微米激光辐射的最大允许脉冲曝光量（MPE）比1.06微米的钕激光高出五个数量级，这使得它在医疗应用中具有较高的安全性。
此外，1.54微米波长的铒玻璃激光器与硅波导中的损耗光谱最小值高度一致，这为其在非光纤配置中的应用提供了独特的优势。
尽管1.54微米波段的激光具有明显的眼部安全性，但铒玻璃的效率通常较低，这要求使用敏化剂来提高其性能。为了增强铒玻璃的效率，通常通过添加Yb³⁺（钇离子）来进行敏化。Yb³⁺离子吸收由闪光灯或激光二极管（LD）提供的近红外（900–1000 nm）泵浦辐射，将能量传递给Er³⁺离子，从而提高了铒玻璃激光器的输出功率。
1.铒玻璃的工作原理与敏化过程
1.1. 工作原理与波长：
铒玻璃的激光发射波长通常为1.54微米，源自Er³⁺离子的4I13/2–4I15/2跃迁。该波长的辐射在眼部组织中具有非常高的安全性，因为液态水在约1.5微米的波长处具有较高的消光系数，防止其到达视网膜，从而减少视网膜损伤的风险。
铒玻璃通常采用磷酸盐玻璃或其他类型的玻璃材料。铒离子通过其特定的能级结构，能够吸收外部泵浦光源的能量，并通过辐射跃迁释放激光光子。在铒玻璃中，Er³⁺离子处于4I15/2基态，当其吸收足够的泵浦光（通常为近红外光）时，离子会跃迁到4I13/2激光能级，从而释放出波长为1.54微米的激光辐射。
1.2. 敏化过程：
铒玻璃的一个重要特点是，铒离子本身具有较弱的吸收能力，因此需要通过添加敏化剂来增强激光器的效率。最常用的敏化剂是钇离子（Yb³⁺）。Yb³⁺离子能够吸收波长为900-1000 nm的近红外泵浦光，并将能量传递给Er³⁺离子，从而激发Er³⁺离子到更高的能级。这一过程称为敏化过程。通过这一敏化过程，铒玻璃激光器能够在相对较低的泵浦功率下获得较高的能量转换效率。
1.3. 泵浦源：
铒玻璃通常采用闪光灯或激光二极管（LD）来提供能量。闪光灯泵浦是一种传统的泵浦方式，它通过提供高能量的短脉冲光来激发增益介质。而激光二极管泵浦则是近年来应用较广的一种泵浦方式，其通过发射波长为900-1000 nm的近红外光源，直接激发Yb³⁺离子。激光二极管泵浦的优势在于其能够提供较为稳定且高效的泵浦光源，尤其适用于需要高功率和连续波（CW）激光输出的应用。
1.4. 磷酸盐玻璃与其他基质的选择：
虽然铒掺杂的玻璃可以作为增益介质，但不同类型的玻璃基质对铒玻璃激光器的性能有显著影响。磷酸盐玻璃被广泛认为是最适合用于Yb–Er玻璃激光器的基质之一。磷酸盐玻璃的独特优势在于它能够将Er³⁺的4I13/2激光能级的长寿命（约7毫秒）与4I11/2能级的短寿命（约2-3毫秒）有效结合，这种设计有助于提高激光效率。此外，磷酸盐玻璃还与Yb³⁺的激发态2F5/2之间存在共振，这进一步提高了能量传递效率。
2.泵浦方式
2.1 闪光灯泵浦
闪光灯泵浦铒玻璃激光器是最传统的设计方式之一，在某些高能量需求的场合，闪光灯泵浦依然是一种有效且经济的选择。闪光灯泵浦铒玻璃激光器能够在自由运行模式下输出高能量脉冲，脉冲能量可达到数十焦耳，而在Q开关模式下，输出能量更可以达到数焦耳。
闪光灯泵浦铒玻璃激光器的工作原理是利用闪光灯发出的高能量短脉冲光来激发Yb–Er玻璃中的Yb³⁺离子，进而传递能量给Er³⁺离子，使其跃迁至激光能级并产生1.54微米的激光辐射。闪光灯泵浦的一个优点是能够提供较大的泵浦能量，尤其是在需求大功率脉冲输出的应用中。
闪光灯泵浦 Cr–Yb–Er 玻璃的效率通常比无铬（Yb–Er 和 Nd–Yb–Er）玻璃高出 2–4 倍。然而，Cr–Yb 的室温能量传递量子效率不超过 60%。Cr 含量较高的玻璃激光器散热较多，因此它们更容易发生热破裂，导致其平均功率比无铬玻璃低约 1.5 倍。
2.2 激光二极管（LD）泵浦
近年来，激光二极管泵浦（LD泵浦）成为铒玻璃激光器中最常见的泵浦方式之一。
LD泵浦的铒玻璃激光器可以分为横向泵浦和纵向泵浦两种配置：
横向泵浦激光器： 横向泵浦是铒玻璃激光器的一种常见设计方式。在这种配置中，激光二极管阵列从激光棒的两侧同时泵浦玻璃激光棒。通常，横向泵浦激光器采用脉冲模式工作，泵浦脉冲的持续时间通常为毫秒级。为了实现较高的泵浦功率，通常需要使用多个LD阵列或堆栈，而非单一LD。
纵向泵浦激光器： 纵向泵浦激光器通常设计为更加紧凑的微型激光器配置。纵向泵浦激光器使用单个或少数几个激光二极管来提供泵浦光源，泵浦区域的直径通常较小，适合实现较低的阈值并支持连续波（CW）模式的工作。
纵向泵浦激光器的一个典型优势是其小型化和高效率。例如，使用Yb–Er玻璃的微型纵向泵浦激光器在高钇浓度的玻璃设计下能够提供显著的性能。该设计使得微型激光器具有较低的泵浦阈值，并能够在CW模式下稳定工作。
3. 铒玻璃的应用
人眼安全激光
铒玻璃产生的特定波长（1.5 μm）与水的强吸收峰相吻合。由于人类的角膜和晶状体含水量高，它们会有效吸收激光辐射，从而减少传输到视网膜的光量。视网膜是眼睛的感光层，特别容易受到高功率激光的损害。因此，与波长到达视网膜的激光相比，Er：玻璃激光器被归类为相对人眼安全的激光器。
雷达测距：
除了对眼睛相对安全之外，Er：玻璃激光器产生的 1.5 μm波长也是激光测距仪的理想波长。它在大气中具有良好的透明度，使光束能够长距离传播且衰减最小。此外，该波长与某些可在室温下工作的红外光电探测器的峰值灵敏度相吻合（包括铟镓砷(InGaAs) 和锗(Ge) 基光电二极管）。
医疗美容：
铒玻璃激光用于非剥脱性激光焕肤。1540纳米波长被皮肤组织内的水分子高度吸收。非剥脱性激光使用的波长不会导致组织中的水分蒸发（剥脱），而是激光能量以受控方式加热组织。温度升高会刺激新胶原蛋白生成，这是身体产生新胶原蛋白的过程。通过刺激胶原蛋白的产生，铒玻璃激光治疗可以改善细纹、皱纹和肤色不均的外观，而不会完全去除皮肤表层。由于治疗不涉及组织蒸发或剥脱，治疗停机时间显著减少。
光纤放大器：
铒玻璃在光纤通信中的应用最为广泛，尤其是在光纤放大器中。Er:Glass在波长为1550 nm的范围内具有强烈的吸收和发射特性，这使其成为一种理想的放大介质，能够增强光信号的强度，特别是在长距离光纤通信中。
FAQ
1. 什么是铒玻璃激光器？
铒玻璃激光器是一种使用铒离子（Er³⁺）掺杂的玻璃作为增益介质的激光器。其激光波长通常为1.54微米，来源于铒离子的4I13/2到4I15/2跃迁。该激光波长具有优异的眼部安全性，因为液态水在1.54微米处的消光系数非常高，能够完全吸收该波长的激光，防止其到达视网膜。
2. 铒玻璃的主要优势是什么？
铒玻璃的主要优势包括：
眼部安全性： 1.54微米波长的激光对眼部具有高度安全性，特别适用于医疗和眼科应用。
灵活的工作模式： 铒玻璃激光器可以在多种模式下工作，包括连续波（CW）模式和高能量脉冲模式，脉冲持续时间从毫秒到飞秒级别。
低功率损耗： 铒玻璃能够提供较低的泵浦功率，并通过Yb³⁺敏化提高能量转换效率。
3. 铒玻璃的工作原理是什么？
铒玻璃的工作原理依赖于铒离子（Er³⁺）和钇离子（Yb³⁺）之间的能量传递。铒离子在吸收泵浦光后，跃迁至较高的能级，并通过辐射跃迁发射1.54微米的激光。由于铒离子本身的吸收效率较低，通常需要通过Yb³⁺离子来进行敏化，后者吸收近红外（900-1000 nm）泵浦光并将能量传递给铒离子，从而提高效率。
4. 铒玻璃激光器的泵浦源有哪些？
铒玻璃激光器的泵浦源主要有两种：
闪光灯泵浦： 利用氙气闪光灯发出的高能量脉冲光来激发铒玻璃增益介质。这是一种传统的泵浦方式，适用于大功率脉冲输出。
激光二极管（LD）泵浦： 激光二极管通过提供稳定的近红外（900-1000 nm）泵浦光，能够实现更高效且稳定的输出，特别适用于连续波（CW）模式下的应用。
参考文献
[1]Erbium (Er) glass lasers
[2]https://en.wikipedia.org/wiki/Er:glass_laser
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