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title: "Q 开关巨脉冲互动实验｜Sandbox Physics"
description: "储存的反转怎样变成巨脉冲？先用高腔损耗压住振荡，让泵浦把能量存进激发粒子。"
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last_modified: "2026-10-28"
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L16 · 储存能量，再释放

# Q 开关巨脉冲

**储存的反转怎样变成巨脉冲？** 先用高腔损耗压住振荡，让泵浦把能量存进激发粒子。损耗快速降下来，光迅速抽取这份储备；反转降到阈值以下，脉冲便衰减，不必把反转耗完。可饱和吸收体也能自行开关：光增强，它的吸收损耗就减小。

先让腔保持高损耗，反转积累时激光起不了振；再打开损耗门，分辨随后的光脉冲。比较主动定时的开关和自行漂白的饱和吸收体，并观察重复运行。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型空间均匀、四能级、单模，按连续时间计算，把以阈值为单位的反转和腔内能量耦合在一起。上能级寿命为二百微秒，阈值反转储存的能量取示例值半毫焦耳。开腔光子寿命以纳秒为单位设定；基础逃逸速率中百分之七十是可用输出，其余是内部损耗。开关的额外损耗以基础逃逸速率为单位，不是镜面功率百分比。恒定泵浦在储能和发光期间都以阈值为单位向上能级注入布居。主动门在每个周期开始时关闭，经过有效储能时间后打开，损耗在设定的开启时长内线性下降。有效储能时间最多为周期的百分之九十。被动模式下，吸收体自行恢复，并按实际吸收的能量漂白；储能和开启控制不起作用，周期只是记录窗口的长度。自发辐射中有一小份确定的平均量为腔提供种子，其余布居衰减计为耗散；这不是一次随机噪声模拟。泵浦、逃逸、受激交换和吸收体漂白各自按精确的正值分步求解，再用自适应步长倍增组合起来。全程累计的能量在注入能量、反转、腔内能量、可用输出和耗散之间守恒。最近一个周期里最强的光脉冲从模拟轨迹中测量：半高全宽要求峰的两侧都有交点；脉冲能量在两侧跨过峰值百分之一的位置之间积分可用输出。任何一侧不完整，窗口就标为未分辨。泵浦一直开着，所以周期能量还包括脉冲之后的发光，不等于脉冲能量。显示的重复频率指主动触发；被动脉冲的时序由它自己决定。沿光轴的装置图是示意。主动门是集总的损耗端，不是标定过的 Pockels 盒或声光器件；被动吸收体是均匀的。模型不含衍射、偏振、空间烧孔、多模拍频、分布式增益、热效应和量子起伏。布居标记与对数亮度为示意。输出监测器显示计算的激光功率，取理想响应，不模拟探测带宽和饱和。

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

## 延迟振荡以储存能量

**背景** 腔损耗高时，光子建立不起来，也就不会消耗上能级布居。降低损耗后，储存的反转把微小的种子放大成一个光脉冲。

**为什么值得理解** 峰值功率高，要靠储能再快速释放；只把恒定泵浦调大，并不能保证得到短脉冲。

先抓重点

- **核心问题**: 储能、腔损耗和开关时序怎样决定这个脉冲？
- **一句话直觉**: 增益大于损耗时脉冲增长，反转降到阈值以下，脉冲就开始衰减。光越强，被动吸收体漂白得越多，损耗越小，突发增长得越快。

### 核心数学模型

#### 反转与腔能量的速率方程

$$
\begin{aligned}\dot D&=\frac{r-D}{\tau_L}-\frac{DV}{\tau_p}\\\dot V&=\frac{(D-1-q)V}{\tau_p}+\frac{\beta D}{\tau_L}\end{aligned}
$$

反转和腔能量都以同一个阈值能量为单位。自发辐射项把一部分布居衰减送进腔内。

#### 关门储能，开门释放

$$
\begin{aligned}D_{\rm th}(t)&=1+q(t)\\D(t)&\simeq r(1-e^{-t/\tau_L})\\r&<1+q_0\quad\text{for holdoff}\end{aligned}
$$

储能公式假定受激辐射还几乎没有消耗反转。关门损耗不够大，激光就会提前起振。

#### 吸收体恢复与漂白

$$
\begin{aligned}\dot q&=\frac{q_0-q}{\tau_a}-\frac{qE_0V}{E_a\tau_p}\\P_a&=\frac{qE_0V}{\tau_p}\end{aligned}
$$

吸收体从腔内吸收的功率驱动它漂白。被动模式下，脉冲时序由耦合方程决定，与主动触发无关。

#### 可用输出与完整能量收支

$$
\begin{aligned}U&=E_0V,\quad E_g=E_0D\\P_{\rm out}&=\eta E_0V/\tau_p\\\frac{\dot E_g+\dot U}{E_0}&=\frac{r-(1-\beta)D}{\tau_L}\\&\quad-\frac{(1+q)V}{\tau_p}\end{aligned}
$$

能量从输出、基础内部损耗、开关吸收和腔模以外的布居衰减这几条路离开。这里的泵浦是理想的激发能量输入，不是电源功率。

#### 快速脉冲极限

$$
\begin{aligned}D_i-D_f&=\ln(D_i/D_f)\\V_{\rm peak}&=D_i-1-\ln D_i\end{aligned}
$$

假定门完全打开，脉冲期间泵浦和衰减都可忽略，种子也微不足道，积分后方程里就没有了时间。反转跨过开腔阈值时，输出达到峰值。

#### 在指定窗口内测宽度和能量

$$
\begin{aligned}\Delta t_{1/2}&=t_{+,1/2}-t_{-,1/2}\\E_{\rm pulse}&=\int_{t_{-,0.01}}^{t_{+,0.01}}P_{\rm out}(t)\,dt\\E_{\rm cycle}&=\int_{t_0}^{t_0+T_R}P_{\rm out}(t)\,dt\end{aligned}
$$

宽度和脉冲能量都要求峰两侧各有一个交点。泵浦一直开着，整周期能量还包括随后的输出。

### 常见难点

#### 巨脉冲不是锁模

**容易误解** 短激光脉冲都需要许多锁相模式。

**正确理解** 这里是一个模式先储能，再在许多次光学往返中把能量放出来。锁模是另一种机制。

#### 降低损耗才释放脉冲

**容易误解** 巨脉冲是高损耗直接造出来的。

**正确理解** 高损耗让能量存得住；降低损耗，受激辐射才把能量放出来。

#### 周期能量不是脉冲能量

**容易误解** 峰值功率乘以周期长度就是脉冲能量。

**正确理解** 在脉冲周围的指定窗口内积分功率；随后的发光单独计入周期总量。

### 动手实验

1. 01

   #### 储能但不起振

   先看默认记录的完整周期。沿储能曲线，找出损耗门打开前上升的反转和较高的阈值。

   **你会看到：** 高损耗让腔保持暗，增益却在不断积累。

2. 02

   #### 分辨巨脉冲

   把纳秒尺度的脉冲与储能曲线对照。展开“脉冲窗口与周期能量”，查看整个周期的输出。

   **你会看到：** 快速开门后，反转接近开腔阈值时，脉冲达峰。脉冲之后的发光还会增加周期能量。

3. 03

   #### 故意制造失败

   比较“缓慢开启”和“提前振荡”。提前开门的示例收在高级参数中。

   **你会看到：** 储能不足、损耗还在下降时光就放出去，或者能量提前漏掉，都会让脉冲变差。

4. 04

   #### 让吸收体决定时序

   选“被动吸收体”，再改变吸收体饱和能量或恢复时间；每次修改都会记录一个新窗口。

   **你会看到：** 脉冲何时出现取决于吸收体的漂白和恢复，不必和记录窗口的长度对上。

物理结论

测量脉冲和它的能量去向，把脉冲能量和随后的连续发光分开算。

## 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 **啁啾脉冲放大怎样避开放大时的高峰值**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/cpa-stretch-amplify-compress/)
2. [实验 **啁啾脉冲放大** 跟着脉冲走一遍 CPA](https://sandboxphysics.com/zh/labs/chirped-pulse-amplification/)
3. [实验 **非线性光改变自身介质** 看光束给自己写出波导](https://sandboxphysics.com/zh/labs/nonlinear-light-shapes-its-own-medium/)

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)