激光活性離子

該模型可以考慮單一類型的激光活性離子，或幾種此類離子類型。

假設任何離子都有許多能級。這些能級事實上代表整個斯塔克能級。不容易分辨單個斯塔克能級，因為晶格中光子在亞能級之間躍遷很快，非常難獲得單個亞能級的光譜。取而代之使用波長相關的有效躍遷，考慮所有亞能級之間的躍遷的加權平均。

所有離子類型的電子能級按一個方案編號。比如，對于鉺鐿共摻光纖，我們考慮3個能級的鉺和2能級的鐿。能級1到3是鉺，能級4到5是鐿：

上圖中還顯示了各種躍遷。受激躍遷（由光引起）用粗箭頭表示，而自發(fā)躍遷用細箭頭表示。更詳細地說，躍遷如下

一些泵浦波如980nm波長可以激發(fā)鉺離子從1能級到3能級。忽略相反方向的受激輻射。

 從3級到2級有一個快速的非輻射躍遷。這與光學影響或光的發(fā)射無關，而是與多聲子發(fā)射有關。

 激光（或放大器）從2能級躍遷到1能級，發(fā)射在1．5μm的光譜區(qū)域。而且，光可以被重新吸收，從1能級到2能級激發(fā)離子。

 鐿離子也可以從4能級泵到5能級或向下通過受激或自發(fā)輻射。

最后，這里可能有一個能量轉(zhuǎn)移，鐿離子從5能級到4能級的能量使餌離子從1能級泵到3能級。

除了基態(tài)外，模型中只考慮了亞穩(wěn)態(tài)。例如，如果假設從3能級到2能級的非輻射傳輸速度是無限快的，3能級將被消除。980nm左右的鉺泵送將直接進入2能級，同樣的情況也適用于能量傳遞過程。

能級粒子數(shù)表示為n1到n5，取決于在光纖中的位置。一定離子類型的所有能級粒子數(shù)總和為1。上述例子中，基態(tài)對應n1＝n4＝1，n2＝n3＝n5＝0。

為了計算光吸收或光放大的電子能級的粒子數(shù)，使用如下用戶定義的參數(shù)：

l 對于自發(fā)躍遷（輻射躍遷或非輻射躍遷），當躍遷速率與起始能級的粒子數(shù)成比例時，用戶指定起始能級中每個離子的躍遷速率。

l 對于光致躍遷（吸收或受激發(fā)射），使用波長相關的有效躍遷。軟件自動決定哪個光信道與某些躍遷相關。

 可以有淬火過程，其中從某一起始能級到某個結(jié)束能級的躍遷率與開始能級的粒子數(shù)的平方或立方成比例。用戶定義比例常數(shù)。

對于能量傳輸，用戶指定兩個起始能級（可能相同）和兩個結(jié)束能級，以及比例系數(shù)。

在許多情況下，用具有以下特性的簡化的增益模型：

 除了基態(tài)外，只有一個亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)能級，具有一定的上能級壽命。

任何光子吸收都會把離子帶到激發(fā)態(tài)，自發(fā)或受激發(fā)射會把它們帶回到基態(tài)。

即使存在多個激發(fā)能級，只要其中一個是亞穩(wěn)態(tài)的，另一些是非常短的壽命，這個模型也可以經(jīng)常應用。例如，泵浦可能發(fā)生在短壽命的3能級，離子通過多聲子發(fā)射迅速轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)2能級。例如，這是在980nm光譜區(qū)域泵浦鉺的情況。只是在這種簡化的模型中不能考慮諸如上轉(zhuǎn)換等額外的復雜情況。