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title: "搭出并修好第一台激光互动实验｜Sandbox Physics"
description: "自己搭的激光器不出光，怎样找出毛病？先分开查布居、经镜子返回的光路和每次往返的损耗。"
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last_modified: "2026-10-28"
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L07 · 综合与测量

# 搭出并修好第一台激光

**自己搭的激光器不出光，怎样找出毛病？** 先分开查布居、经镜子返回的光路和每次往返的损耗。加泵浦补不上缺失的反馈；光阑太小，也可能把阈值抬到现有泵浦达不到的地方。出光以后，再比较可用输出、吸收泵浦效率、模式纯度和发热。

组装泵浦、三能级或四能级介质、曲面镜、光阑和探测器。根据布居、模式增益和输出找出隐藏故障，再在效率、模式纯度和热负载之间取得平衡。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

这是一个示例性的三模经典速率模型：一百亿个发射体，发射波长 1064 nm，吸收泵浦 808 nm，上能级寿命 2 μs，峰值截面 0.000000000000000008 平方米。凹面镜的曲率半径取正。近轴 Gaussian 几何决定模式面积，以及光阑处的截断，光束每次往返经过光阑两次。临界和不稳定几何在本模型中没有受支持的模式；真实的不稳定腔激光器不在模型范围内。模型把薄增益区和光阑放在腔中点，图上的间隔仅为示意。轴向距离、横向大小和镜面曲率各用独立显示尺度；Gaussian 包络超过显示范围时截去超出部分。三个选定纵模共享同一份均匀布居。自发辐射作为连续的平均源为模式播种。不考虑泵浦耗尽、空间烧孔、热透镜和光学相位。热量只取量子亏损给出的最低值，评分反映的是教学目标。

激光基础 · 光、增益与反馈

[L01 · 比较光源](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-source-comparison/) [L02 · 计数跃迁](https://sandboxphysics.com/zh/labs/light-matter-transitions/) [L03 · 构建反转](https://sandboxphysics.com/zh/labs/population-inversion/) [L04 · 单程放大](https://sandboxphysics.com/zh/labs/single-pass-amplifier/) [L05 · 加入反馈](https://sandboxphysics.com/zh/labs/passive-optical-resonator/) [L06 · 从噪声启动](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-noise-startup/) [L07 · 搭建与排故](https://sandboxphysics.com/zh/labs/build-debug-laser/) [L08 · 测量与诊断](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-diagnostic-bench/) [L09 · 选择纵模](https://sandboxphysics.com/zh/labs/gain-longitudinal-modes/) [L10 · 约束光束](https://sandboxphysics.com/zh/labs/stable-resonator-geometry/) [L11 · 选择空间模式](https://sandboxphysics.com/zh/labs/transverse-laser-modes/) [L12 · 传播与测量](https://sandboxphysics.com/zh/labs/gaussian-beam-quality/) [L13 · 对准与匹配](https://sandboxphysics.com/zh/labs/alignment-mode-matching/) [L14 · 优化提取](https://sandboxphysics.com/zh/labs/output-coupler-optimization/) [L15 · 驱动动力学](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-dynamics-relaxation/) [L16 · 储存与释放](https://sandboxphysics.com/zh/labs/q-switched-giant-pulse/) [L17 · 锁相成脉冲](https://sandboxphysics.com/zh/labs/mode-locking-frequency-comb/) [L18 · 标定频率梳](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-frequency-comb/) [L19 · 注入载流子](https://sandboxphysics.com/zh/labs/semiconductor-laser-diode/) [L20 · 比较增益介质](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-medium-zoo/) [L21 · 分布式增益](https://sandboxphysics.com/zh/labs/fiber-fbg-laser/) [L22 · 选择反馈](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-feedback-architectures/) [L23 · 平衡超快脉冲](https://sandboxphysics.com/zh/labs/ti-sapphire-oscillator/) [L24 · 展宽与压缩](https://sandboxphysics.com/zh/labs/chirped-pulse-amplification/) [L25 · 捕获与提取](https://sandboxphysics.com/zh/labs/regenerative-multipass-amplifier/) [L26 · 转换频率](https://sandboxphysics.com/zh/labs/nonlinear-frequency-conversion/) [L27 · 散射与级联](https://sandboxphysics.com/zh/labs/raman-brillouin-lasers/) [L28 · 同步从激光](https://sandboxphysics.com/zh/labs/injection-locking/) [L29 · 锁定到参考腔](https://sandboxphysics.com/zh/labs/pdh-frequency-lock/) [L30 · 测量相位噪声](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-linewidth-phase-noise/) [L31 · 散射形成反馈](https://sandboxphysics.com/zh/labs/random-laser/) [L32 · 诊断热扩展](https://sandboxphysics.com/zh/labs/thermal-lensing/) [L33 · 合并相干光场](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-beam-combining/) [L34 · 维持 Kerr 脉冲](https://sandboxphysics.com/zh/labs/microresonator-kerr-comb/) [L35 · 返回延迟光场](https://sandboxphysics.com/zh/labs/external-feedback-chaos/) [L36 · 扫描而不跳模](https://sandboxphysics.com/zh/labs/tunable-laser-scan/)

物理依据： [MIT：相干与光谱](https://ocw.mit.edu/courses/res-6-006-video-demonstrations-in-lasers-and-optics-spring-2008/resources/coherence-length-and-source-spectrum/) · [速率方程](https://ocw.mit.edu/courses/6-977-ultrafast-optics-spring-2005/resources/chapter2/) · [泵浦与增益介质（7.2 节）](https://ocw.mit.edu/courses/6-974-fundamentals-of-photonics-quantum-electronics-spring-2006/bf3bdeb971819ddc9c68719d28bb2745_classnotes.pdf) · [激光动力学](https://ocw.mit.edu/courses/6-977-ultrafast-optics-spring-2005/resources/chapter4/)

物理教程

## 能工作的激光是一个平衡系统

**背景** 光有反转还不够。腔必须支持一个与增益重叠的模式，模式里还要留住足够的光，增益才能补上每次往返的全部损耗。

**为什么值得理解** 这个综合实验把 L02–L06 的机制串在一起。元件可能缺失，设置可能出错；即使已经振荡，效率也可能很低。

先抓重点

- **核心问题**: 能否根据测得的布居、模式增益和输出，找出隐藏的故障并修好？
- **一句话直觉**: 先分别检查布居、返回的光路和往返损耗，找出光为什么长不起来，再决定要不要加泵浦。

### 核心数学模型

#### 三能级与四能级反转

$$
d_4=n_u,\qquad d_3=2n_u-1
$$

四能级系统的下能级会立即排空；三能级系统的下能级就是基态。所以同样的上能级比例，在一种方案里能放大，在另一种方案里却会吸收。

#### 三个模式争夺同一份布居

$$
\begin{aligned}\dot n_u&=R(1-n_u)-\frac{n_u}{\tau_u}\\&\quad-\frac{d}{N_a}\sum_jG_jS_j\end{aligned}
$$

受激跃迁消耗的布居，正是决定各模式增益的那一份。光子增长包括受激增益、对数腔损耗和一个很小的连续自发辐射源。

#### 模式增长与输出

$$
\begin{aligned}\dot S_j&=(G_jd-\kappa)S_j\\&\quad+\frac{\beta N_an_u}{3\tau_u}\\P_o&=h\nu\kappa_o\sum_jS_j\end{aligned}
$$

输出耦合镜不断让光子逸出；逸出速率乘以腔内光子的总能量，就是输出功率。只包含三个选定的纵模。改变失谐可以把增益移向相邻的选定模式；更远的模式和空间烧孔没有建模。

#### 稳定几何与光阑损耗

$$
\begin{aligned}g_i&=1-\frac{L}{\mathcal R_i}\\0&<g_bg_o<1\\Q_a&=\left[1-e^{-2a^2/w_m^2}\right]^2\end{aligned}
$$

在往返光线矩阵下保持不变的 Gaussian 光束，决定了介质处的模式半径。光束每次往返穿过中央光阑两次。稳定边界上的退化几何不在本模型内。

#### 泵浦能量与最低热量

$$
\begin{aligned}P_p&=h\nu_pN_aR(1-n_u)\\P_{h,\min}&=P_p\left(1-\frac{\nu}{\nu_p}\right)\end{aligned}
$$

这里的泵浦功率，指有效单向泵浦模型中被吸收的功率。泵浦光子的能量比激光光子高，最低热量就是这部分能量差，也叫量子亏损；这里不含非辐射过程，也不计算温度和热透镜。

### 常见难点

#### 不稳定腔超出了本模型

**容易误解** 不稳定腔永远不能出激光。

**正确理解** 本实验只处理近轴、稳定的 Gaussian 模式。真实的不稳定腔激光器需要另一套衍射模型。共焦等退化边界也可能支持 Gaussian 模式，只是这里的通用矩阵求解明确排除了这些边界。

#### 评分只用于教学

**容易误解** 高分就说明这台激光器能造出来。

**正确理解** 材料参数只是示例，只保留了三个模式，热量也只是最低估计，工程上的限制都没考虑。评分只在这个模型里评价设计。

### 动手实验

1. 01

   #### 组装并等待稳定

   选择“可工作的四能级设计”，直接看布居和功率两条启动曲线。二十微秒过程已记录；展开完整数值结果，可查看最近一微秒的稳定标记。

   **你会看到：** 布居先积累起来，随后受激辐射把反转钳住；稳定之前，输出可能先冲高。

2. 02

   #### 拆掉一个必要部件

   在高级参数中取下后镜，再装回去。每次改动都从已有布居接着记录二十微秒；另外单独断开探测器试一次。

   **你会看到：** 没有反馈，振荡就起不来；断开探测器只是拿不到测量，布居动力学照常进行。

3. 03

   #### 诊断并修复

   在高级参数中载入隐藏故障，根据曲线选择诊断。不要载入预设，直接修改相关控制，修复后评估。

   **你会看到：** 故障可能是泵浦不足、没有反转、光谱失配、截断、输出耦合、几何或缺少反馈。

4. 04

   #### 在功率与质量之间取舍

   比较“输出耦合太弱”和“输出耦合太强”两个预设，再看“宽增益模式竞争”。试着用更少的泵浦改进可工作设计。

   **你会看到：** 提取太弱会浪费可用输出，提取太强会抬高阈值；增益越宽，参与竞争的模式越多。评分同时看多个目标。

物理结论

好的设计要兼顾提取功率、吸收泵浦效率、主模占比、稳定过程和量子亏损热量，最亮只是其中一个目标。

## 相关实验与文章

探针与测量 · 阅读路径

### 受控光与精密测量

这条阅读路径里用到本实验的文章，后面跟着它们推荐的其他实验。

1. [文章 **氨分子束怎样持续发出微波**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/maser-inversion-and-feedback/)
2. [实验 **三种跃迁与受激辐射** 看探测光在受激气体里先变强、再变弱](https://sandboxphysics.com/zh/labs/absorption-spontaneous-stimulated-emission/)
3. [实验 **泵浦与粒子数反转** 一盏灯泵浦三种气体，看哪一种能放大光](https://sandboxphysics.com/zh/labs/pumping-population-inversion/)
4. [实验 **被动光学谐振腔** 比较被动储光与持续振荡](https://sandboxphysics.com/zh/labs/passive-optical-resonator/)
5. [实验 **稳定腔与横模** 调两面镜子的曲率，再调光阑，直到只剩一种光束形状](https://sandboxphysics.com/zh/labs/stable-resonator-transverse-modes/)
6. [实验 **激光噪声启动工作台** 从第一个种子观察腔模增长](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-noise-startup/)
7. [实验 **激光怎样从噪声启动** 看许多腔频率争同一份增益](https://sandboxphysics.com/zh/labs/laser-startup-from-noise/)

波与光学 · 入门路径

## 从一条光线到干涉测量

从折射出发，找到光线模型失效的地方，再用干涉测量极小的距离。

[从这里开始 → **光学界面探索器** 转动入射角，观察反射与透射功率此消彼长；再切换到“临界角与全反射”场景。 观察 · 11 分钟](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)

1. [1 光学界面探索器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/optical-boundary-explorer/)
2. [2 彩虹焦散观测站](https://sandboxphysics.com/zh/labs/rainbow-laboratory/)
3. [3 针孔相机](https://sandboxphysics.com/zh/labs/camera-obscura/)
4. [4 相干波合成器](https://sandboxphysics.com/zh/labs/coherent-wave-composer/)
5. [5 Young 双缝实验台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/young-double-slit-bench/)
6. [6 Michelson 精密测量台](https://sandboxphysics.com/zh/labs/michelson-precision-lab/)

[查看完整路径 →](https://sandboxphysics.com/zh/topics/waves-and-optics/#starter-path)