本书介绍飞秒激光原理、技术和应用。全书共分为14章，第1章和第2章是飞秒光学的基本内容；第3~6章介绍飞秒固体激光器和光纤激光器的原理和设计；第7章介绍飞秒激光脉冲放大技术；第8章介绍飞秒激光脉冲特性测量技术；第9章和第10章介绍飞秒激光脉冲频率变换技术和腔外脉冲压缩与整形技术；第11章介绍脉冲的相干控制和频率合成技术；第12章介绍高次谐波与阿秒脉冲产生技术；第13章介绍飞秒激光太赫兹波技术；第14章介绍飞秒激光微加工技术。
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目录
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第1章 超快光学基础 1
1.1 光与物质相互作用 1
1.1.1 Maxwell方程组 1
1.1.2 平面波的波动方程 2
1.1.3 缓变包络近似 3
1.2 超短光脉冲在各向同性介质中的线性传播 6
1.2.1 平面波啁啾脉冲的传播 6
1.2.2 波形的变化 9
1.3 二阶非线性效应 16
1.3.1 三波相互作用——倍频 16
1.3.2 三波相互作用——和频和差频 17
1.4 三阶非线性效应 17
1.4.1 克尔透镜效应 19
1.4.2 自相位调制 20
1.4.3 光谱压缩效应 23
1.4.4 互相位调制 24
1.4.5 自陡峭效应 25
1.4.6 拉曼效应 26
1.4.7 可饱和吸收 28
1.5 非线性薛定谔方程 29
1.5.1 非线性薛定谔方程的解法 29
1.5.2 孤子传输过程 30
参考文献 32
第2章 色散元器件的原理与计算 33
2.1 透明介质 33
2.1.1 极化强度矢量：阻尼振子模型 33
2.1.2 Kramers-Kronig关系 34
2.1.3 临界脉宽和脉冲展宽 36
2.2 多层膜结构 37
2.2.1 多层介质反射膜 37？
2.2.2 啁啾反射镜 41
2.2.3 超宽带配对啁啾镜 48
2.2.4 Gires-Tournois反射镜 50
2.2.5 多腔和优化Gires-Tournois反射镜 51
2.2.6 啁啾光纤光栅 53
2.2.7 啁啾体光栅 53
2.3 基于角色散的色散元件 54
2.3.1 棱镜对 55
2.3.2 光栅对 60
2.3.3 光栅对与棱镜对的组合 67
2.3.4 与光栅对压缩器配对的光纤展宽器 68
2.4 可编程相位补偿系统 68
2.4.1 液晶相位调制器 69
2.4.2 声光可编程色散滤波器 71
2.4.3 可变形反射镜 73
2.5 矢量色散图与矢量色散补偿法 74
2.6 白光干涉与色散测量 76
2.6.1 时域法 76
2.6.2 频域法 79
2.6.3 频域小波变换法 81
参考文献 84
第3章 固体激光器锁模启动及脉冲形成机制 88
3.1 克尔透镜锁模原理 88
3.2 谐振腔与稳定区 91
3.2.1 像散补偿谐振腔 91
3.2.2 无增益介质时的ABCD矩阵 94
3.2.3 含克尔透镜的ABCD矩阵 96
3.3 脉冲形成阶段的分析 103
3.4 主方程和微扰算符方程 105
3.4.1 主方程的导出 106
3.4.2 主方程的解 109
3.4.3 微扰算符理论 110
3.5 周期性和高阶色散的微扰 112
3.5.1 稳态脉冲参数 113
3.5.2 色散波及稳定性考虑 116？
附录 A 克尔介质的q参数变换 120
参考文献 122
第4章 可饱和吸收体锁模技术 124
4.1 半导体可饱和吸收体 125
4.1.1 半导体可饱和吸收体的能带 125
4.1.2 半导体的能带与晶格常数 125
4.1.3 半导体的能带与量子阱 127
4.1.4 半导体可饱和吸收体的时间特性 127
4.2 激光器参数与半导体可饱和吸收镜宏观特性的关系 128
4.2.1 半导体可饱和吸收镜的宏观特性 128
4.2.2 自调Q的抑制 135
4.3 半导体可饱和吸收镜的类型 137
4.3.1 高精细度法布里-珀罗可饱和吸收镜 137
4.3.2 低精细度法布里-珀罗可饱和吸收镜 137
4.3.3 无谐振型可饱和吸收镜 137
4.3.4 可饱和布拉格反射镜 138
4.3.5 宽带可饱和吸收镜 138
4.4 低损耗宽带可饱和吸收镜 139
4.4.1 金属膜与介质膜混合反射镜 139
4.4.2 氧化AlAs布拉格反射镜 141
4.4.3 氟化物与半导体混合反射镜 142
4.5 半导体可饱和吸收镜中吸收层的设计 143
4.6 低饱和通量半导体可饱和吸收镜 144
4.7 高破坏阈值半导体可饱和吸收镜 145
4.8 量子点可饱和吸收镜 149
4.8.1 量子点的能级结构 149
4.8.2 量子点半导体可饱和吸收镜的结构 149
4.9 碳纳米管锁模器件 150
4.9.1 单壁碳纳米管作为可饱和吸收体 150
4.9.2 单壁碳纳米管可饱和吸收镜的制备 152
4.10 石墨烯锁模器件 154
4.10.1 石墨烯的能带结构 155
4.10.2 石墨烯的吸收特性 155
4.10.3 石墨烯锁模器件的制备 156
参考文献 157？
第5章 飞秒固体激光技术 160
5.1 泵浦激光 160
5.1.1 固体激光器 160
5.1.2 半导体激光器 160
5.1.3 光纤激光器 161
5.2 腔内色散补偿 161
5.2.1 棱镜对色散补偿 161
5.2.2 啁啾镜色散补偿 163
5.3 钛宝石激光器 163
5.4 掺Cr离子晶族的飞秒脉冲激光器 165
5.4.1 Cr3+：LiSAF, Cr3+：LiSCAF 166
5.4.2 Cr4+：Forsterite 167
5.4.3 Cr4+：YAG 168
5.5 半导体激光器泵浦的掺Yb3+介质飞秒激光器 168
5.5.1 Yb3+的能级结构和光谱特性 168
5.5.2 薄片激光器 172
5.6 中红外固体激光技术 174
5.6.1 掺Cr离子单晶激光器 174
5.6.2 氟化物玻璃 175
参考文献 176
第6章 飞秒光纤激光技术 179
6.1 光纤简介 179
6.1.1 单模光纤与大模场面积光纤 180
6.1.2 双包层光纤与泵浦光的吸收效率 181
6.1.3 光子晶体光纤 182
6.1.4 3C光纤 184
6.1.5 掺杂类别 185
6.1.6 泵浦方式 185
6.2 光纤激光器的锁模启动机制 186
6.2.1 非线性环路反射镜 186
6.2.2 非线性偏振旋转 194
6.2.3 半导体可饱和吸收体 196
6.3 锁模启动机制：Jones矩阵方法 197
6.3.1 矩阵定义 197
6.3.2 基本环形腔 200？
6.3.3 再线性偏振化的环形腔 202
6.3.4 线性腔 203
6.3.5 环形腔 206
6.4 脉冲形成机制 207
6.4.1 Ginzburg-Landau方程与解法 207
6.4.2 Ginzburg-Landau方程的一般解 208
6.4.3 Ginzburg-Landau方程的稳态解特例——孤子脉冲 209
6.4.4 Ginzburg-Landau方程的稳态渐近解——自相似与放大自相似 212
6.5 Ginzburg-Landau方程的瞬态解——腔内锁模动力学 213
6.5.1 腔内色散控制：展宽脉冲型 215
6.5.2 自相似子与放大自相似子 216
6.5.3 更长的腔——全正色散与耗散孤子 218
6.6 超高重复频率光纤激光器 219
6.6.1 超高重复频率下的脉冲演化 220
6.6.2 超高重复频率激光器器件和技术 220
6.6.3 谐波锁模 221
6.6.4 FP腔滤波和谐波光参量振荡器 222
6.7 中红外锁模光纤激光技术 223
参考文献 224
第7章 飞秒激光脉冲放大技术 227
7.1 放大器中的脉冲成形 227
7.1.1 增益介质的饱和 227
7.1.2 增益窄化 228
7.1.3 ASE的影响 229
7.2 放大器中非线性折射率的影响 229
7.2.1 自相位调制 229
7.2.2 自聚焦 229
7.3 放大器中脉冲的演化过程 230
7.4 啁啾脉冲放大器 231
7.4.1 再生放大器的构成 233
7.4.2 脉冲在再生放大器腔内的演化 235
7.4.3 隔离器 235
7.5 多通式放大器 236
7.6 啁啾脉冲放大器中的带宽控制与波长调谐 239
7.6.1 超宽带放大器 239？
7.6.2 波长可调谐再生放大器 240
7.6.3 用飞秒脉冲做种子的皮秒脉冲再生放大器 241
7.7 啁啾脉冲放大器中的脉冲展宽和压缩 241
7.7.1 标准脉冲展宽器(Martinez型) 241
7.7.2 无像差脉冲展宽器(Offner型) 244
7.8 负啁啾脉冲放大器 245
7.9 薄片放大器 247
7.10 板条型放大器 248
7.11 光纤放大器 248
7.11.1 双包层光纤放大 249
7.11.2 三阶色散补偿 249
7.12 时间分割脉冲放大 250
参考文献 251
第8章 飞秒激光脉冲特性测量技术 254
8.1 飞秒脉冲的时域测量 254
8.1.1 线性自相关 254
8.1.2 非线性自相关 255
8.1.3 三阶非线性非对称脉冲的测量 259
8.1.4 自相关仪 259
8.1.5 单脉冲脉宽测量 261
8.2 飞秒脉冲的相位测量：FROG法 262
8.2.1 高阶非线性相关FROG法 262
8.2.2 SHG-FROG法 265
8.2.3 低功率时FROG的应用 267
8.2.4 简化版FROG-GRENOUILLE 267
8.3 飞秒脉冲相位的测量： SPIDER法 271
8.3.1 空间相干与时间相干 271
8.3.2 参考光与信号光的相干 271
8.3.3 信号光的自参考相干 272
8.3.4 SPIDER法 273
8.3.5 SPIDER装置的参数选择 277
8.3.6 SPIDER光谱相位的还原方法改进 278
8.3.7 SPIDER与FROG的测量精度比较 280
8.4 超宽带弱信号的相位测量：XFROG与XSPIDER 281
8.5 二维SPIDER 281？
8.6 PICASO 283
参考文献 284
第9章 飞秒激光脉冲频率变换技术 286
9.1 非线性光学过程 286
9.2 倍频 287
9.2.1 Ⅰ类匹配 287
9.2.2 Ⅱ类匹配 294
9.3 三倍频 294
9.4 参量过程 296
9.4.1 参量产生与放大 297
9.4.2 参量振荡 298
9.4.3 非共线相位匹配的光参量过程 299
9.5 参量啁啾放大器 304
9.6 频域参量放大技术 306
9.7 准相位匹配技术 —— 周期极化结构晶体的应用 307
参考文献 310
第10章 飞秒激光脉冲压缩与整形技术 312
10.1 普通光纤中的光谱扩展和脉冲压缩 313
10.1.1 光纤中的脉冲非线性传播方程 313
10.1.2 正常色散介质k">0中的脉冲压缩 314
10.1.3 反常色散介质k"<0中的孤子脉冲 318
10.2 光子晶体光纤中的白光产生与脉冲压缩 319
10.2.1 光子晶体光纤中的白光产生 319
10.2.2 锥形光纤中的白光产生 324
10.2.3 白光脉冲压缩 326
10.3 充气中空光波导中的光谱展宽与脉冲压缩 327
10.3.1 惰性气体的折射率 328
10.3.2 脉冲在中空光纤中的传播 330
10.3.3 脉冲在中空光纤中传播的色散和非线性效应 333
10.3.4 SLM 补偿与周期量级脉冲产生 336
10.4 中空光波导中的高能量周期量级脉冲产生 338
10.4.1 气压梯度 339
10.4.2 温度梯度 340
10.5 体材料中的脉冲压缩 341
10.5.1 基于三阶非线性的脉冲压缩 341？
10.5.2 薄片组的白光产生和脉冲压缩 342
10.5.3 基于二阶非线性的脉冲压缩 343
10.6 脉冲的整形 —— 频域调制与解调 345
10.6.1 4f系统相位控制技术 345
10.6.2 逐线控制的脉冲整形 347
参考文献 348
第11章 脉冲的相干控制与光学频率合成技术 353
11.1 从频率计量学到光学的相位控制 353
11.2 飞秒激光器的相位控制 354
11.2.1 载波包络相位的定义 355
11.2.2 脉冲与脉冲之间的载波包络相位差 356
11.2.3 载波包络频率偏差fCEO的测量 358
11.2.4 载波包络频率相位△*CE的时域测量 360
11.2.5 飞秒激光器载波包络相位的控制 362
11.2.6 绝对载波包络相位 364
11.3 激光频率梳 366
11.3.1 固体激光频率梳 366
11.3.2 光纤激光频率梳 367
11.3.3 天文光谱定标用光频梳 369
11.4 飞秒脉冲放大器的相位测量和控制 371
11.4.1 非线性光谱干涉法 371
11.4.2 线性光谱干涉法 372
11.5 参量放大器中的相位控制 375
11.6 激光器的光学频率合成 377
11.6.1 两个独立激光器的相干合成 378
11.6.2 两个不同增益介质的固体激光器的相干合成 381
11.6.3 飞秒光纤激光器的同步 382
11.6.4 飞秒光纤激光器的相干合成： 获得单周期脉冲 385
11.7 光学频率综合器 388
参考文献 390
第12章 高次谐波与阿秒脉冲产生技术 394
12.1 高次谐波和阿秒脉冲的产生 394
12.1.1 束缚态电子的非线性光学 394
12.1.2 电离能和有质动力势 396
12.1.3 平台与截止频率 398？
12.1.4 高次谐波产生技术 399
12.2 孤立阿秒脉冲的产生 401
12.2.1 载波包络相位控制 401
12.2.2 偏振控制 401
12.3 高次谐波增强技术 403
12.3.1 准相位匹配：周期结构空心光纤 404
12.3.2 准相位匹配：多级喷气射流 406
12.4 阿秒脉冲的测量 407
12.4.1 FROG-CRAB 407
12.4.2 SEA-SPIDER 409
参考文献 410
第13章 飞秒激光太赫兹波技术 413
13.1 太赫兹波的产生 413
13.1.1 光电导天线产生太赫兹波 414
13.1.2 光整流产生太赫兹波 415
13.1.3 空气等离子体产生太赫兹波 417
13.2 高能量太赫兹波产生技术 418
13.2.1 脉冲阵面匹配 418
13.2.2 差频 419
13.2.3 UTC-PD 420
13.3 太赫兹波的探测 421
13.3.1 光电导取样探测太赫兹波 421
13.3.2 自由空间电光取样探测太赫兹波 422
13.3.3 空气等离子体探测太赫兹波 425
13.4 太赫兹波光谱学 426
13.5 太赫兹波成像技术 428
13.5.1 太赫兹波成像的基本原理 428
13.5.2 太赫兹时域扫描成像 428
13.5.3 太赫兹实时成像 429
13.5.4 太赫兹层析成像 430
13.5.5 太赫兹近场成像 431
13.5.6 太赫兹成像技术的应用 434
参考文献 435
第14章 飞秒激光微加工技术 438
14.1 超短脉冲激光与金属材料相互作用模型 439？
14.1.1 理论基础 440
14.1.2 飞秒微加工的典型实验结果 444
14.2 飞秒脉冲在透明材料中的多光子吸收模型 446
14.2.1 单光子吸收模型 446
14.2.2 多光子吸收模型 449
14.3 飞秒脉冲与透明介质相互作用的动力学方程 452
14.4 飞秒脉冲在透明介质中的加工实例 455
14.4.1 在透明介质中刻写微结构 455
14.4.2 在紫外硬化树脂中产生三维纳米结构 458
14.5 飞秒激光微加工展望 460
参考文献 460
彩图
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