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title: "Raman 与 Brillouin 激光互动实验｜Sandbox Physics"
description: "强泵浦光在玻璃的分子振动（Raman）或声波（Brillouin）上散射，同时放大频率往低处移的 Stokes 光，不需要粒子数反转。"
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  en: "https://sandboxphysics.com/labs/raman-brillouin-lasers/"
last_modified: "2026-10-27"
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L27 · 靠散射工作的激光

# Raman 与 Brillouin 激光

**透明玻璃也能成为激光增益介质吗？** 可以。强泵浦光在玻璃的分子振动（Raman）或声波（Brillouin）上散射，同时放大频率往低处移的 Stokes 光，不需要粒子数反转。超过阈值后，下一阶 Stokes 光会长起来，抽走上一阶的能量，把它钳在固定水平。

泵浦石英光纤，越过 Stokes 阈值，看后一阶怎样钳住前一阶。采集瞬态，再计算稳态泵浦扫描。

> 交互仿真：在浏览器中打开本页，即可调整参数并运行模型。

模型使用空间均匀的平均场功率方程。泵浦不断得到补充，不在腔内谐振；Stokes 模式事先设定，最多三阶。Raman 光与泵浦同向传播，体 Brillouin 各阶方向交替。这个教学用的腔由假定的石英增益、快速的材料弛豫和对数往返损耗确定。光子能量之比记下了以声子形式留下的热。设定的泵浦光谱会展宽 Brillouin 增益，但这个宽度不是输出线宽。另有一个小涨落相位模型，用同样计算出的稳态功率、三百开尔文下的热声子占据数、真空噪声和下一阶的反 Stokes 噪声，算出每个振荡阶的基本 Lorentzian 线宽。可以记录第一阶的高斯相位游走，把测得的扩散和光场相干性与这个参考对照。这个低频噪声极限不包括技术泵浦噪声的传递、振幅涨落、材料色散、偏振，以及阈值附近的非高斯行为。相位记录不是功率瞬态。瞬态是冻结的副本；平衡扫描和相位噪声参考都是计算出的诊断，不是硬件测量。光纤走线、颜色和尺寸都是示意。

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

## 散射光子也能维持振荡器

**背景** 泵浦光提供的能量，一部分变成 Stokes 光，一部分变成材料的振动。

**为什么值得理解** 透明玻璃也能靠散射放大光。泵浦石英光纤，越过 Stokes 阈值，看后一阶怎样钳住前一阶，再采集瞬态，计算稳态泵浦扫描。

先抓重点

- **核心问题**: 透明玻璃也能成为激光增益介质吗？
- **一句话直觉**: 下一阶 Stokes 开始振荡后，会抽走上一阶的功率并把它钳住，而不是单纯多出一份输出。

### 核心数学模型

#### 一个光子变成光和振动

$$
\begin{aligned}\nu_{j-1}&=\nu_j+\Omega_j\\h\nu_{j-1}&=h\nu_j+h\Omega_j\end{aligned}
$$

每次散射把一个光子从这一阶移到下一阶，但两阶光子的能量不同。

#### 光纤上的平均增益

$$
\begin{aligned}C_j&=g_jL_{\rm eff}/A_{\rm eff}\\L_{\rm eff}&=(1-e^{-\alpha L})/\alpha\end{aligned}
$$

增益重叠计入了设定的间距偏差。泵浦光谱展宽会降低 Brillouin 增益。

#### Stokes 增长与耗尽

$$
\begin{aligned}\dot P_j&=G_j-D_j\\G_j&=C_jP_{j-1}P_j-\Lambda P_j\\D_j&=r_jC_{j+1}P_jP_{j+1}\end{aligned}
$$

时间以往返次数计。耗尽项里的频率比，算的是放出的声子带走的能量。

#### 第一振荡阈值

$$
\begin{aligned}P_{0,\rm th}&=\Lambda/C_1\\P_{\rm in,th}&=a\Lambda/C_1\end{aligned}
$$

光纤里的泵浦按系数 a 衰减。每多一阶 Stokes，对前一阶的功率要求就更高。

#### 以声子形式留下的热

$$
\begin{aligned}Q_{\rm ph}&=\sum_j(r_{j-1}-1)S_j\\S_j&=C_jP_{j-1}P_j\\r_{j-1}&=\nu_{j-1}/\nu_j\end{aligned}
$$

Brillouin 散射损失的光能比例很小，Raman 散射则大得多。

#### 稳态时前一阶被钳住

$$
\begin{aligned}C_jP_{j-1}&=\Lambda+r_jC_{j+1}P_{j+1}\\P_j&>0\end{aligned}
$$

每个平衡分支里正在振荡的各阶，都由这个关系求出。最后一阶后面没有更高阶来抽走它的功率。

#### 各阶输出的基本线宽

$$
\begin{aligned}N_m&=P_m t_{\rm rt}/(h\nu_m)\\A_m&=\gamma(\bar n+1)\\B_m&=2\mu_mN_{m+1}(2\bar n+1)\\\Delta\nu_m&=(A_m+B_m)/(4\pi N_m)\end{aligned}
$$

另一个低频小相位涨落模型使用同样的稳态功率。下一阶起振后，会多出反 Stokes 噪声；泵浦的技术噪声没有计入。

#### 先记录相位，再检验相干性

$$
\begin{aligned}d\varphi&=\sqrt{2\pi\Delta\nu_m}\,dW\\g^{(1)}(t)&=e^{-\pi\Delta\nu_m|t|}\\\widehat{\Delta\nu}&=\frac{\operatorname{Var}(\delta\varphi)}{2\pi\delta t}\end{aligned}
$$

模拟的相位记录可以用来检验扩散和相干性。指数形式的相干函数做傅里叶变换，得到这个全宽的 Lorentzian 谱。

### 常见难点

#### 增益宽度就是输出线宽

**容易误解** 显示的增益带宽，就是输出激光的线宽。

**正确理解** 增益带宽属于功率模型。单独的相位模型计算相位匹配的稳态噪声极限，并记录相位怎样扩散；泵浦的技术噪声和阈值附近的涨落都不在它的范围内。

#### 增加泵浦总会增大第一阶

**容易误解** 每一阶 Stokes 都随泵浦一直增加。

**正确理解** 下一阶起振后会抽走前一阶的功率，前一阶就进入被钳住的分支。

### 动手实验

1. 01

   #### 跨过阈值

   比较“低于阈值”和 Raman，再拖动泵浦旋钮。每次调参都会自动记录六百次往返。

   **你会看到：** 固定的种子光在阈值以下衰减，在阈值以上增长，直到泵浦耗尽限制住增长。

2. 02

   #### 跟着能量进入下一阶

   选择“级联各阶”，观察三种颜色的输出和下方的泵浦扫描。展开“高级参数与更多演示”，再与“仅允许一阶”比较。

   **你会看到：** 新一阶增长时，前一阶被钳住。单独计算的扫描能看到一个接一个的阈值。

3. 03

   #### 展宽泵浦

   在相同功率下比较窄谱和宽谱 Brillouin 泵浦，查看后向和前向端口。

   **你会看到：** 重叠变小，阈值升高。奇数阶和偶数阶 Brillouin 光从相反的端口出射。

4. 04

   #### 测量输出相位

   展开“高级参数与更多演示”，选“仅允许一阶”，点击“记录输出相位”。在下方展开单独的相位噪声记录，再与级联比较。

   **你会看到：** 输出线宽和增益带宽不是一回事；级联时，下一阶还会带来额外的噪声通道。

物理结论

阈值、各阶功率和声子热要放在一起看；增益窗口窄，不等于测到了线宽。

## 相关实验与文章

探针与测量 · 阅读路径

### 分子、力与极快运动

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 **Raman：换了入射谱线，频移不变**](https://sandboxphysics.com/zh/stories/probe-evidence/raman-shift-and-molecular-evidence/)
2. [实验 **自发 Raman 光谱仪** 测量自发 Raman 光谱](https://sandboxphysics.com/zh/labs/spontaneous-raman-spectrometer/)
3. [实验 **振动 EELS：分辨率与离样品探测** 比较电子能量损失谱](https://sandboxphysics.com/zh/labs/vibrational-eels/)

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)