本書是一本介紹飛秒激光原理、技術(shù)和應(yīng)用的讀物。全書共分為14章，第1章和第2章是飛秒光學(xué)的基本內(nèi)容；第3~6章介紹飛秒固體激光器和光纖激光器的原理和設(shè)計(jì)；第7章介紹飛秒激光脈沖放大技術(shù)；第8章介紹飛秒激光脈沖特性測(cè)量技術(shù)；第9章和第10章介紹飛秒激光脈沖頻率變換和腔外脈沖壓縮與整形技術(shù)；第11章介紹飛秒激光脈沖的相干控制和頻率合成技術(shù)；第12章介紹高次諧波和阿秒產(chǎn)生技術(shù)；第13章介紹飛秒激光產(chǎn)生太赫茲波技術(shù)；第14章介紹飛秒激光微加工技術(shù)。
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目錄
第1章 超快光學(xué)基礎(chǔ) 1
1.1 光與物質(zhì)相互作用 1
1.1.1 Maxwell方程組 1
1.1.2 平面波的波動(dòng)方程 2
1.1.3 緩變包絡(luò)近似 3
1.2 超短光脈沖在各向同性介質(zhì)中的線性傳播 6
1.2.1 平面波啁啾脈沖的傳播 6
1.2.2 波形的變化 9
1.3 二階非線性效應(yīng) 16
1.3.1 三波相互作用——倍頻 16
1.3.2 三波相互作用——和頻和差頻 17
1.4 三階非線性效應(yīng) 17
1.4.1 克爾透鏡效應(yīng) 19
1.4.2 自相位調(diào)制 20
1.4.3 光譜壓縮效應(yīng) 23
1.4.4 互相位調(diào)制 24
1.4.5 自陡峭效應(yīng) 25
1.4.6 拉曼效應(yīng) 26
1.4.7 可飽和吸收 28
1.5 非線性薛定諤方程 29
1.5.1 非線性薛定諤方程的解法 29
1.5.2 孤子傳輸過程 30
參考文獻(xiàn) 32
第2章 色散元器件的原理與計(jì)算 33
2.1 透明介質(zhì) 33
2.1.1 極化強(qiáng)度矢量：阻尼振子模型 33
2.1.2 Kramers-Kronig關(guān)系 34
2.1.3 臨界脈寬和脈沖展寬 36
2.2 多層膜結(jié)構(gòu) 37
2.2.1 多層介質(zhì)反射膜 37？
2.2.2 啁啾反射鏡 41
2.2.3 超寬帶配對(duì)啁啾鏡 48
2.2.4 Gires-Tournois反射鏡 50
2.2.5 多腔和優(yōu)化Gires-Tournois反射鏡 51
2.2.6 啁啾光纖光柵 53
2.2.7 啁啾體光柵 53
2.3 基于角色散的色散元件 54
2.3.1 棱鏡對(duì) 55
2.3.2 光柵對(duì) 60
2.3.3 光柵對(duì)與棱鏡對(duì)的組合 67
2.3.4 與光柵對(duì)壓縮器配對(duì)的光纖展寬器 68
2.4 可編程相位補(bǔ)償系統(tǒng) 68
2.4.1 液晶相位調(diào)制器 69
2.4.2 聲光可編程色散濾波器 71
2.4.3 可變形反射鏡 73
2.5 矢量色散圖與矢量色散補(bǔ)償法 74
2.6 白光干涉與色散測(cè)量 76
2.6.1 時(shí)域法 76
2.6.2 頻域法 79
2.6.3 頻域小波變換法 81
參考文獻(xiàn) 84
第3章 固體激光器鎖模啟動(dòng)及脈沖形成機(jī)制 88
3.1 克爾透鏡鎖模原理 88
3.2 諧振腔與穩(wěn)定區(qū) 91
3.2.1 像散補(bǔ)償諧振腔 91
3.2.2 無(wú)增益介質(zhì)時(shí)的ABCD矩陣 94
3.2.3 含克爾透鏡的ABCD矩陣 96
3.3 脈沖形成階段的分析 103
3.4 主方程和微擾算符方程 105
3.4.1 主方程的導(dǎo)出 106
3.4.2 主方程的解 109
3.4.3 微擾算符理論 110
3.5 周期性和高階色散的微擾 112
3.5.1 穩(wěn)態(tài)脈沖參數(shù) 113
3.5.2 色散波及穩(wěn)定性考慮 116？
附錄 A 克爾介質(zhì)的q參數(shù)變換 120
參考文獻(xiàn) 122
第4章 可飽和吸收體鎖模技術(shù) 124
4.1 半導(dǎo)體可飽和吸收體 125
4.1.1 半導(dǎo)體可飽和吸收體的能帶 125
4.1.2 半導(dǎo)體的能帶與晶格常數(shù) 125
4.1.3 半導(dǎo)體的能帶與量子阱 127
4.1.4 半導(dǎo)體可飽和吸收體的時(shí)間特性 127
4.2 激光器參數(shù)與半導(dǎo)體可飽和吸收鏡宏觀特性的關(guān)系 128
4.2.1 半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的宏觀特性 128
4.2.2 自調(diào)Q的抑制 135
4.3 半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的類型 137
4.3.1 高精細(xì)度法布里-珀羅可飽和吸收鏡 137
4.3.2 低精細(xì)度法布里-珀羅可飽和吸收鏡 137
4.3.3 無(wú)諧振型可飽和吸收鏡 137
4.3.4 可飽和布拉格反射鏡 138
4.3.5 寬帶可飽和吸收鏡 138
4.4 低損耗寬帶可飽和吸收鏡 139
4.4.1 金屬膜與介質(zhì)膜混合反射鏡 139
4.4.2 氧化AlAs布拉格反射鏡 141
4.4.3 氟化物與半導(dǎo)體混合反射鏡 142
4.5 半導(dǎo)體可飽和吸收鏡中吸收層的設(shè)計(jì) 143
4.6 低飽和通量半導(dǎo)體可飽和吸收鏡 144
4.7 高破壞閾值半導(dǎo)體可飽和吸收鏡 145
4.8 量子點(diǎn)可飽和吸收鏡 149
4.8.1 量子點(diǎn)的能級(jí)結(jié)構(gòu) 149
4.8.2 量子點(diǎn)半導(dǎo)體可飽和吸收鏡的結(jié)構(gòu) 149
4.9 碳納米管鎖模器件 150
4.9.1 單壁碳納米管作為可飽和吸收體 150
4.9.2 單壁碳納米管可飽和吸收鏡的制備 152
4.10 石墨烯鎖模器件 154
4.10.1 石墨烯的能帶結(jié)構(gòu) 155
4.10.2 石墨烯的吸收特性 155
4.10.3 石墨烯鎖模器件的制備 156
參考文獻(xiàn) 157？
第5章 飛秒固體激光技術(shù) 160
5.1 泵浦激光 160
5.1.1 固體激光器 160
5.1.2 半導(dǎo)體激光器 160
5.1.3 光纖激光器 161
5.2 腔內(nèi)色散補(bǔ)償 161
5.2.1 棱鏡對(duì)色散補(bǔ)償 161
5.2.2 啁啾鏡色散補(bǔ)償 163
5.3 鈦寶石激光器 163
5.4 摻Cr離子晶族的飛秒脈沖激光器 165
5.4.1 Cr3+：LiSAF, Cr3+：LiSCAF 166
5.4.2 Cr4+：Forsterite 167
5.4.3 Cr4+：YAG 168
5.5 半導(dǎo)體激光器泵浦的摻Y(jié)b3+介質(zhì)飛秒激光器 168
5.5.1 Yb3+的能級(jí)結(jié)構(gòu)和光譜特性 168
5.5.2 薄片激光器 172
5.6 中紅外固體激光技術(shù) 174
5.6.1 摻Cr離子單晶激光器 174
5.6.2 氟化物玻璃 175
參考文獻(xiàn) 176
第6章 飛秒光纖激光技術(shù) 179
6.1 光纖簡(jiǎn)介 179
6.1.1 單模光纖與大模場(chǎng)面積光纖 180
6.1.2 雙包層光纖與泵浦光的吸收效率 181
6.1.3 光子晶體光纖 182
6.1.4 3C光纖 184
6.1.5 摻雜類別 185
6.1.6 泵浦方式 185
6.2 光纖激光器的鎖模啟動(dòng)機(jī)制 186
6.2.1 非線性環(huán)路反射鏡 186
6.2.2 非線性偏振旋轉(zhuǎn) 194
6.2.3 半導(dǎo)體可飽和吸收體 196
6.3 鎖模啟動(dòng)機(jī)制：Jones矩陣方法 197
6.3.1 矩陣定義 197
6.3.2 基本環(huán)形腔 200？
6.3.3 再線性偏振化的環(huán)形腔 202
6.3.4 線性腔 203
6.3.5 環(huán)形腔 206
6.4 脈沖形成機(jī)制 207
6.4.1 Ginzburg-Landau方程與解法 207
6.4.2 Ginzburg-Landau方程的一般解 208
6.4.3 Ginzburg-Landau方程的穩(wěn)態(tài)解特例——孤子脈沖 209
6.4.4 Ginzburg-Landau方程的穩(wěn)態(tài)漸近解——自相似與放大自相似 212
6.5 Ginzburg-Landau方程的瞬態(tài)解——腔內(nèi)鎖模動(dòng)力學(xué) 213
6.5.1 腔內(nèi)色散控制：展寬脈沖型 215
6.5.2 自相似子與放大自相似子 216
6.5.3 更長(zhǎng)的腔——全正色散與耗散孤子 218
6.6 超高重復(fù)頻率光纖激光器 219
6.6.1 超高重復(fù)頻率下的脈沖演化 220
6.6.2 超高重復(fù)頻率激光器器件和技術(shù) 220
6.6.3 諧波鎖模 221
6.6.4 FP腔濾波和諧波光參量振蕩器 222
6.7 中紅外鎖模光纖激光技術(shù) 223
參考文獻(xiàn) 224
第7章 飛秒激光脈沖放大技術(shù) 227
7.1 放大器中的脈沖成形 227
7.1.1 增益介質(zhì)的飽和 227
7.1.2 增益窄化 228
7.1.3 ASE的影響 229
7.2 放大器中非線性折射率的影響 229
7.2.1 自相位調(diào)制 229
7.2.2 自聚焦 229
7.3 放大器中脈沖的演化過程 230
7.4 啁啾脈沖放大器 231
7.4.1 再生放大器的構(gòu)成 233
7.4.2 脈沖在再生放大器腔內(nèi)的演化 235
7.4.3 隔離器 235
7.5 多通式放大器 236
7.6 啁啾脈沖放大器中的帶寬控制與波長(zhǎng)調(diào)諧 239
7.6.1 超寬帶放大器 239？
7.6.2 波長(zhǎng)可調(diào)諧再生放大器 240
7.6.3 用飛秒脈沖做種子的皮秒脈沖再生放大器 241
7.7 啁啾脈沖放大器中的脈沖展寬和壓縮 241
7.7.1 標(biāo)準(zhǔn)脈沖展寬器(Martinez型) 241
7.7.2 無(wú)像差脈沖展寬器(Offner型) 244
7.8 負(fù)啁啾脈沖放大器 245
7.9 薄片放大器 247
7.10 板條型放大器 248
7.11 光纖放大器 248
7.11.1 雙包層光纖放大 249
7.11.2 三階色散補(bǔ)償 249
7.12 時(shí)間分割脈沖放大 250
參考文獻(xiàn) 251
第8章 飛秒激光脈沖特性測(cè)量技術(shù) 254
8.1 飛秒脈沖的時(shí)域測(cè)量 254
8.1.1 線性自相關(guān) 254
8.1.2 非線性自相關(guān) 255
8.1.3 三階非線性非對(duì)稱脈沖的測(cè)量 259
8.1.4 自相關(guān)儀 259
8.1.5 單脈沖脈寬測(cè)量 261
8.2 飛秒脈沖的相位測(cè)量：FROG法 262
8.2.1 高階非線性相關(guān)FROG法 262
8.2.2 SHG-FROG法 265
8.2.3 低功率時(shí)FROG的應(yīng)用 267
8.2.4 簡(jiǎn)化版FROG-GRENOUILLE 267
8.3 飛秒脈沖相位的測(cè)量： SPIDER法 271
8.3.1 空間相干與時(shí)間相干 271
8.3.2 參考光與信號(hào)光的相干 271
8.3.3 信號(hào)光的自參考相干 272
8.3.4 SPIDER法 273
8.3.5 SPIDER裝置的參數(shù)選擇 277
8.3.6 SPIDER光譜相位的還原方法改進(jìn) 278
8.3.7 SPIDER與FROG的測(cè)量精度比較 280
8.4 超寬帶弱信號(hào)的相位測(cè)量：XFROG與XSPIDER 281
8.5 二維SPIDER 281？
8.6 PICASO 283
參考文獻(xiàn) 284
第9章 飛秒激光脈沖頻率變換技術(shù) 286
9.1 非線性光學(xué)過程 286
9.2 倍頻 287
9.2.1 Ⅰ類匹配 287
9.2.2 Ⅱ類匹配 294
9.3 三倍頻 294
9.4 參量過程 296
9.4.1 參量產(chǎn)生與放大 297
9.4.2 參量振蕩 298
9.4.3 非共線相位匹配的光參量過程 299
9.5 參量啁啾放大器 304
9.6 頻域參量放大技術(shù) 306
9.7 準(zhǔn)相位匹配技術(shù) —— 周期極化結(jié)構(gòu)晶體的應(yīng)用 307
參考文獻(xiàn) 310
第10章 飛秒激光脈沖壓縮與整形技術(shù) 312
10.1 普通光纖中的光譜擴(kuò)展和脈沖壓縮 313
10.1.1 光纖中的脈沖非線性傳播方程 313
10.1.2 正常色散介質(zhì)k
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