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title: "激光诊断台互动实验｜Sandbox Physics"
description: "荧光、放大的自发辐射和激光，靠哪些测量分得开？得几项一起看，单靠哪一项都不够。"
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last_modified: "2026-10-27"
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L08 · 综合与测量

# 激光诊断台

**荧光、放大的自发辐射和激光，靠哪些测量分得开？** 得几项一起看，单靠哪一项都不够。扫泵浦时输出在阈值处突然变陡，光谱里分得出一根根腔模，迈克耳孙干涉仪里条纹对比度随光程差先消失又重现，光束传播得好，这些合起来才能说明是激光。光谱仪分辨不出的线宽，只能当作上限。

把未知光源接到六种仪器上。采集泵浦扫描、有限分辨率光谱、光束焦散、偏振扫描、Michelson 可见度和高速光电轨迹，再根据证据判断光源类别。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

四类 1064 nm 光源都是现象学模型，不是按真实材料标定的器件。所有仪器共用同一套光源描述：归一化 Lorentzian 谱线、Gaussian-Schell 光束传播，以及线偏振与非偏振光的混合。谱仪用 Lorentzian 仪器响应卷积光谱，测得的峰宽可能仍未分辨。光束质量来自多平面焦散拟合，不靠单张图像，而且只是教学代理，不是 ISO 测量。Michelson 干涉仪假定两臂等强度，空间和偏振完全重合；光程差是镜子移动距离的两倍。光电探测器以有限带宽采样经典复场；射频频点不是标定过的噪声功率谱，也不是量子关联。这类测量无论做多少次，只要次数有限，就不能唯一识别所有真实光源。

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

## 用相互印证的证据识别光源

**背景** 荧光、ASE 和激光在亮度、方向性或偏振上可能很像。要分清它们，得把泵浦响应和光谱、空间、时间测量结合起来。

**为什么值得理解** 仪器的分辨率和带宽都有限，探测器记下的并不是光源的理想属性。而且单看一项测量，不同类型的光源也可能给出相似的结果。

先抓重点

- **核心问题**: 哪些证据能把窄带 ASE 和激光振荡器区分开，或者把多模激光和单模激光区分开？
- **一句话直觉**: 泵浦响应的斜率突变、分辨得出的模式结构、相干性的复现和光束传播质量，各自提供一部分证据。分辨不出的线宽只能当作一个界限。

### 核心数学模型

#### 有限光谱分辨率

$$
\begin{aligned}S_{\mathrm{rec}}(\nu)&=(S*K)(\nu)\\\Delta\nu_{\mathrm{rec}}&=\Delta\nu_s+\Delta\nu_{\mathrm{inst}}\end{aligned}
$$

宽度直接相加，只适用于单条 Lorentzian 谱线配 Lorentzian 仪器响应；重叠的多模峰不一定满足。

#### 光谱决定相干性

$$
\begin{aligned}g^{(1)}(t)&=\sum_j p_j e^{-\pi\Delta\nu_j|t|}\\&\qquad\cdot e^{2\pi i\nu_jt}\end{aligned}
$$

干涉仪和采样复场用的是同一个归一化 Lorentzian 混合谱。延迟增加时，各谱线积累的相位不同。它们会先相互抵消，随后又重新对齐，于是多模梳的可见度下降后还能复现。

#### 两臂等强度的 Michelson 测量

$$
\begin{aligned}V(\delta)&=|g^{(1)}(\delta/c)|\\P_d&=\frac{P}{2}[1+V\cos\phi]\end{aligned}
$$

光程差是镜子移动距离的两倍。相位扫描只记录一个输出端口；两个端口加起来，正好等于输入功率。

#### 测整条焦散，而不是单张图像

$$
\begin{aligned}w^2(z)&=w_0^2+\theta^2z^2\\M^2&=\frac{\pi w_0\theta}{\lambda}\end{aligned}
$$

模型使用圆对称的 Gaussian-Schell 光源和二阶矩半径。单张图里的宽光斑，可能是束腰本来大，也可能是发散快。沿传播方向拟合才能把两者分开，得到光束质量代理；图像只代表所选的相机平面。

#### 检偏器透射

$$
P_\theta=P[(1-p)/2+p\cos^2\theta]
$$

光由线偏振和非偏振两部分混合而成。模型特意加入了强偏振的 ASE，因为单靠偏振证明不了激光在振荡。

### 常见难点

#### 第一次下降不一定是相干长度

**容易误解** 每次可见度下降都对应一个确定的相干长度。

**正确理解** 读数给出的是：在有限扫描内，可见度第一次降到自然常数倒数的位置。多模复现和扫描分辨不出的长相干性，都让一个数字没法概括所有情况。

#### 探测器噪声取决于测量条件

**容易误解** 记录的相对均方根，就是激光本身的噪声指标。

**正确理解** 它取决于带宽、时间窗和随机实现。有限时间窗得到的射频频点是同一条轨迹的变换，不是标定过的 RIN，也不是量子光子统计的结果。

### 动手实验

1. 01

   #### 认识四类已知光源

   先猜哪种光源会出现阈值折点，再比较四个已知光源预设。六项测量已自动完成，切换泵浦扫描、光谱和相干性查看。

   **你会看到：** 荧光和 ASE 对泵浦的响应是平滑的；激光在这个教学模型里有阈值折点。多模相干性会复现，而不是一路衰减。

2. 02

   #### 找出仪器极限

   选择“已知单模激光”，切换到光谱，拖宽谱仪响应，再调窄；曲线会跟着更新。

   **你会看到：** 受分辨率限制的峰，定不出真实线宽。演示会按新设置重采六项测量。未知挑战只重采当前仪器，其他记录隐藏，待你重新测量。

3. 03

   #### 加上独立测量

   采集光束焦散和偏振。对多模光源，比较宽、窄两种探测带宽下的高速轨迹。

   **你会看到：** 光束质量代理用到多个平面。电带宽窄了，模式之间本来分辨得出的拍频就被压掉。ASE 也可能强烈偏振。

4. 04

   #### 给未知光源分类

   展开高级参数，载入未知光源，先得到当前仪器的一项记录。再用仪器按钮采集泵浦、光谱、相干性，以及光束或高速数据中的一项，最后提交类别。

   **你会看到：** 挑战要求几项证据相互印证。答对只说明符合这个教学类别，并不能普遍证明所有真实光源。

物理结论

各项测量必须来自同一设置，并且相互一致。结合几台独立仪器，把推断出的量与记录数据、仪器响应分开。

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)