--- title: "啁啾脉冲放大互动实验｜Sandbox Physics" description: "放大短脉冲时，能不能不让峰值功率高到危险？可以，先把脉冲拉长。" canonical_url: "https://sandboxphysics.com/zh/labs/chirped-pulse-amplification/" language: "zh-CN" page_type: "lab" alternate_languages: en: "https://sandboxphysics.com/labs/chirped-pulse-amplification/" last_modified: "2026-10-28" --- L24 · 展宽、放大、压缩 # 啁啾脉冲放大 **放大短脉冲时，能不能不让峰值功率高到危险？** 可以，先把脉冲拉长。用色散把脉冲在时间上展开，能量不变，峰值功率就低了，放大器可以放心加能量。放大完，再用压缩器去掉拉长时加上的相位，脉冲重新变得又短又强。 同一个复数脉冲先展宽、再放大、最后压缩，沿途经过四个探针位置。记下各处的能量和峰值功率，再用残余色散或窄谱接受带破坏压缩。 > 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。 800 纳米的标量 Gaussian 种子依次经过理想的纯相位展宽器、宽带 Frantz–Nodvik 饱和增益映射、按增益加权的 Gaussian 谱接受滤波、等效非线性薄片和纯相位压缩器。谱接受是单独施加的有损步骤，用来代替增益窄化；它不是频率相关反转的联立解，也不是 Maxwell–Bloch 解。被拒绝的能量单独报告。放大器按累计脉冲能量计算，饱和能量和初始对数增益由用户设定，脉冲期间泵浦不补充增益。光束面积取均匀值，用来把能量和功率换算成能量面密度和强度；改变面积时饱和能量不变，所以这不是固定材料截面的模型。输出位置的等效薄片取一厘米路径和一个示例非线性折射率；它的相位不是在真实增益介质里积分出来的非线性相位。关闭薄片就得到线性对照。不模拟损伤阈值、热断裂、ASE、压缩器通光效率、衍射和空间热点。展宽保持入射能量和能量面密度，同时压低峰值功率；这不保证真实光学元件不会损伤。Fourier 网格有 32768 点，覆盖 65.536 皮秒，间隔两飞秒。时间和频谱边缘的能量比例提示脉冲被截断，或频率网格不够用；主峰半高宽反映不了全部卫星脉冲。四个位置的采集复制的是计算出的场，不是硬件探测数据。输出虚线是用输出谱构造的零谱相位理想脉冲，不是从采集脉冲反演出来的。色散块只是示意，不按光栅角度做光线追迹。 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 ## 以更低峰值传递能量 **背景** 啁啾脉冲放大先把短脉冲拉长，再放大，最后压缩回去。这里同一个复数脉冲走完每一步，每一步之后都能在实际位置上用探针查看。 **为什么值得理解** 每一步作用的都是同一个复数脉冲，又都能在实际位置上查看，于是看得清峰值在哪一步降下来，能量在哪一步增加，相位在哪一步去掉。 先抓重点 - **核心问题**: 放大短脉冲时，能不能不让峰值功率高到危险？ - **一句话直觉**: 展宽压低峰值强度，放大增加能量，压缩再把谱相位去掉。 ### 核心数学模型 #### 纯相位展宽 $$ \widetilde A_s(\Omega)=\widetilde A_0(\Omega)\exp(-i\phi_{2,s}\Omega^2/2) $$ Fourier 变换取负指数，载波取正号约定。群延迟色散为正时，高于载波的频率分量到得更晚。 #### Gaussian 脉冲展宽的解析结果 $$ \tau_s=\tau_0\sqrt{1+\left(\frac{4\ln 2\,\phi_{2,s}}{\tau_0^2}\right)^2} $$ 这个解析的强度半高宽用来和数值传播的场对照。展宽不改变能量和谱幅度。 #### 宽带饱和放大 $$ E_{\rm out}(t)=E_s\ln\!\left[1+e^{g_0}\left(e^{E_{\rm in}(t)/E_s}-1\right)\right] $$ Frantz–Nodvik 映射逐个作用在时间单元上，每个单元用已经通过的累计能量。从初始储库取走的能量，不会超过饱和能量乘以对数增益。 #### 谱接受滤波 $$ \widetilde A_a\longmapsto\widetilde A_a\exp\!\left[-2g_0\ln 2\left(\frac{\nu}{B}\right)^2\right] $$ 这一步有损耗，让通过的谱变窄。它作为光路中单独的一步，代替增益窄化，并不按频率求解反转耗尽；被拒绝的能量单独报告。 #### 压缩与残余相位 $$ \begin{aligned}\phi_{2,c}&=-\phi_{2,s}+\Delta\phi_2\\ \widetilde A_c&=\widetilde A_a\exp\!\left[-i\left(\frac{\phi_{2,c}\Omega^2}{2}+\frac{\phi_3\Omega^3}{6}\right)\right]\end{aligned} $$ 二阶色散抵消以后，三阶相位和非线性相位仍然留着；已经被拒绝的谱能量也回不来。 #### 峰值强度与能量面密度不同 $$ \begin{aligned}F&=E/A\\ I_{\rm peak}&=P_{\rm peak}/A\\ B_{\rm plate}&=\eta_{\rm NL}\frac{2\pi n_2L}{\lambda_0}I_{\rm peak}\end{aligned} $$ 展宽压低峰值强度，入射能量面密度却不变。等效薄片的相位只用于教学诊断，既不能保证光学元件不损伤，也不是沿放大路径的积分。 ### 常见难点 #### 主峰短不等于压缩成功 **容易误解** 只要主峰够短，脉冲质量就没问题。 **正确理解** 还要看卫星脉冲、均方根时宽、数值网格边缘的能量，以及独立的理想参考。 ### 动手实验 1. 01 #### 采集整条光路 选择“匹配 CPA”，再用“物理探针位置”依次查看四处。四个位置的光场已经自动记录。 **你会看到：** 展宽器和压缩器都把收到的能量全部传了下去。 2. 02 #### 跳过展宽器 比较“匹配 CPA”和“旁路展宽器”两个预设。 **你会看到：** 两种情况下放大器的储能差不多，峰值强度和薄片相位却差得很远。 3. 03 #### 破坏压缩 拖动压缩器旋钮，再比较“色散失配”“三阶相位”和“窄谱接受”。把输出短脉冲与下方的理想参考虚线对照。 **你会看到：** 只抵消一个阶数的色散，脉冲质量恢复不完全。 物理结论 看记录下来的场和频谱，也要清楚模型的近似在哪里不再成立。 ## 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. 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