四能级系统

上图为玻璃或晶体基质材料中稀土离子所特有的四能级激光系统。值得注意的是，三能级激光材料的特性为：激光跃迁发生在受激能级2和最终基态1（系统的最低能级）之间，这导致了运行的效率低下。

四能级系统避免了这一缺陷，泵浦跃迁从基态（现为能级E₀）扩展到宽吸收带E₃。与三能级系统的情况一样，这样激发的离子将快速进入到亚稳态能级E2。然而在四能级系统中，激光跃迁出现在E₂能级到位于基态E₀上方的第四个终端能级E₁之间，在这里，离子经历了一个快速非辐射的过渡到基能级。

真正的四能级系统中，终端能级E1是空的，作为合格的四能级系统，其材料的终端激光能级与基能级之间的弛豫时间必须要明显短于荧光寿命，即τ₁₀<<τ₂₁。另外，终端激光能级必须远在基能级之上，这样就可以减少热粒子数。

在某些激光材料中，低能级与基态之间的能量差相对较小，因此，必须将它们冷却才能用于四能级激光器。在四能级系统中，即使泵浦功率接近于0，也会出现2→1跃迁的反转，并且不再需要提供维持三能级系统平衡所需的高泵浦速率。在最有利的条件下，四能级系统中3→2和1→0跃迁的弛豫时间，要短于激光跃迁τ₂₁的自发辐射寿命。因此，仍然可以按照只有能态E₁和E₂有粒子数的方法进行计算。

三能级和四能级的区别

三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎所有粒子均处于基态，只有泵浦源很强而且抽运很快，才能实现粒子数反转。

四能级系统是使系统在两个激发态E₂、E₁之间实现粒子数反转。因为这时低能级E₁不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E₂上的粒子数稍有积累，就容易实现粒子数反转分布，在能级E₂、E₁之间产生激光。由于E3上的粒子数向E₂跃迁，E₁上的粒子数向E₀过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。

抽象概括

不论三能级系统或四能级系统，激光打标机要实现粒子数反转必须内有亚稳态，外有激励源（泵浦），粒子的整个输运过程必定是一个循环往复的非平衡过程。激活介质的作用就是提供亚稳态。所谓三能级或四能级图，并不是激活介质实际能级图，它们只是对造成反转分布的整个物理过程所作的抽象概括。实际能级图要比这复杂，而且一种激活介质内部，可能同时存在几对待定能级间反转分布，相应地发射几种波长的激光。