清華大學(xué)出版社計(jì)劃出版變革性光科學(xué)與技術(shù)叢書，詢問我是否愿意參與撰寫一本。其實(shí)我已經(jīng)退休多年，研究組里教授職責(zé)也早就從責(zé)任教授改成了顧問教授。但這變革性三個(gè)字對我還是有吸引力的。我于是想到寫這一本《光纖激光器：原理、技術(shù)與應(yīng)用》。
我1985年到英國留學(xué)，在英國學(xué)習(xí)和工作了八年。在南安普頓的光纖研究組里參與了光纖激光器的早期發(fā)明研究。回國后雖然當(dāng)教授創(chuàng)建和領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)研究組，但主要的研究領(lǐng)域偏向了通信，加上行政上承擔(dān)著一些職務(wù)，因此一直沒有時(shí)間去整理出版一本光纖激光器方面的書籍。
出書是耗費(fèi)時(shí)間和精力的工作。為了不至于把出書時(shí)間拖得太長，就想到把一些技術(shù)與應(yīng)用的章節(jié)請年輕學(xué)者來完成。我邀請到一位年輕女教授施進(jìn)丹。
施進(jìn)丹是我研究組里畢業(yè)的碩士，她在南安普頓大學(xué)攻讀了博士，又在那里從事博士后研究幾年，后來還在英國SPI公司（簡稱SPI公司。2020年11月，SPI公司并入德國通快集團(tuán) TRUMPF）以高級工程師的身份從事高性能光纖激光器的研發(fā)工作。SPI公司是光纖激光器/放大器先驅(qū)戴維·尼爾·佩恩（David Neil Payne）教授創(chuàng)辦的公司，公司的光纖激光器產(chǎn)品在全球享有盛名。2016年，施進(jìn)丹回國在江蘇師范大學(xué)任教并入選2017江蘇特聘教授。近年來，她從事的國家自然科學(xué)基金委、中英合作、歐盟多國合作的幾項(xiàng)科研項(xiàng)目等都與光纖激光器相關(guān)。因此，把技術(shù)與應(yīng)用的章節(jié)讓她來寫，是再合適不過的。
本書分9章，前言和前4章由我完成，后5章由施進(jìn)丹完成。為了讓對某一章內(nèi)容感興趣的讀者閱讀起來方便，各章節(jié)自成體系。我們兩位作者的前后章節(jié)中有個(gè)別重復(fù)的地方也就保留了，好在重復(fù)的篇幅很小。
我們兩位作者，一位參與過早期光纖激光器的發(fā)明研究，一位仍然在這個(gè)領(lǐng)域的前沿探索著。我們試圖從原理、技術(shù)與應(yīng)用三個(gè)層面向讀者介紹光纖激光器。高等院校的碩士研究生、博士研究生，可以從這本書學(xué)習(xí)光纖激光器的原理，或許同時(shí)也能學(xué)習(xí)怎樣尋找研究方向； 在光電子領(lǐng)域創(chuàng)業(yè)公司從事技術(shù)開發(fā)工作的讀者，可以學(xué)習(xí)到技術(shù)，或許也可以從書中描述的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和技術(shù)介紹章節(jié)獲得創(chuàng)新的靈感；對于設(shè)計(jì)應(yīng)用產(chǎn)品的工程師，可以了解光纖激光器的近期發(fā)展和未來展望，或許也可以從光纖激光器的應(yīng)用不斷拓展的歷史中得到設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的啟發(fā)。
我們兩位作者，都是光纖激光器研發(fā)過程的親歷者和見證人。在這本科技書籍中，我們增添了花絮內(nèi)容，用圖片和文字向讀者介紹了一些研發(fā)過程的人文故事，希望讀者會(huì)得到科技內(nèi)容以外的一些收獲。
筆者感謝江蘇師范大學(xué)馮憲教授、南京郵電大學(xué)張祖興教授、中國科學(xué)院半導(dǎo)體所陸丹研究員在寫作過程中提供的有益討論和幫助。感謝北京郵電大學(xué)在讀博士研究生劉暢對于寫作的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持。筆者感謝國家出版基金對于本書出版的資助。
限于作者水平，書中難免有不妥和遺漏之處，懇請讀者批評指正。
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2022年12月
本書導(dǎo)讀視頻 本書圖庫
第1章基礎(chǔ)理論概要
1.1電磁波原理
1.1.1麥克斯韋方程組
1.1.2電磁波
1.1.3電磁波的衰減
1.1.4電磁波譜
1.1.5平面波、亥姆霍茲方程與標(biāo)量解
1.2激光原理
1.2.1能級與粒子數(shù)分布
1.2.2自發(fā)輻射與受激輻射
1.2.3光學(xué)諧振腔
1.2.4熒光、超熒光和激光
1.2.5激光條件、閾值和輸出功率
1.2.6光的偏振
1.3光纖原理
1.3.1光纖導(dǎo)光原理： 全反射
1.3.2階躍光纖的射線分析基礎(chǔ)
1.3.3光纖的數(shù)值孔徑
1.3.4階躍折射率光纖的模式
1.3.5階躍折射率光纖的標(biāo)量近似解
1.3.6模式截止條件
1.3.7單模光纖的電磁場分布
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第2章光纖激光器的早期研究
2.1歷史回顧
2.2稀土元素和稀土摻雜玻璃的能級
2.3稀土摻雜光纖的制備
2.4光纖激光器的諧振腔
2.5光纖激光器早期研究成果
2.6光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第3章光纖激光器的偏振效應(yīng)
3.1光纖激光器與傳統(tǒng)激光器的區(qū)別
3.1.1線偏振窄帶泵浦光
3.1.2雙折射諧振腔
3.1.3縱向泵浦系統(tǒng)
3.2實(shí)驗(yàn)樣本與實(shí)驗(yàn)裝置
3.3泵浦光傳輸和熒光的偏振特性
3.4光纖激光器的偏振效應(yīng)現(xiàn)象
3.4.1自發(fā)輻射的熒光與泵浦光偏振取向無關(guān)
3.4.2單模光纖激光器存在兩個(gè)正交的偏振激光模
3.4.3激光器輸出激光的偏振度與泵浦光偏振取向有關(guān)
3.5光纖激光器的偏振效應(yīng)理論
3.5.1玻璃結(jié)構(gòu)
3.5.2電偶極子模型
3.5.3電偶極子輻射
3.5.4斯托克斯效應(yīng)
3.5.5自發(fā)輻射和受激輻射
3.5.6三點(diǎn)假設(shè)
3.5.7速率方程
3.5.8兩個(gè)正交的本征偏振模
3.5.9激光輸出的偏振與泵浦光偏振取向的關(guān)系
3.5.10偏振受激截面比
3.5.11有效吸收泵浦功率
3.5.12偏振選擇率
3.5.13泵浦功率的偏振耦合
3.6激光特性分析
3.6.1單程增益
3.6.2閾值
3.6.3斜率效率
3.6.4弛豫振蕩頻率
3.6.5偏振度
3.6.6偏振截面比的測量
3.6.7光纖激光器的單偏振操作
3.6.8單偏振操作的偏振效率
3.7光纖激光器偏振效應(yīng)的應(yīng)用
3.7.1單偏振光纖激光器
3.7.2光纖激光器的偏振開關(guān)
3.8結(jié)論
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第4章光纖激光器的增強(qiáng)操作
4.1單模單頻
4.1.1單向環(huán)形光纖激光器
4.1.2短腔光柵光纖激光器
4.1.3腔內(nèi)附加窄帶選頻器件的光纖激光器
4.2包層泵浦
4.2.1包層泵浦的概念
4.2.2雙包層光纖的折射率分布
4.2.3雙包層光纖的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.3混合摻雜
4.3.1鉺鐿混合摻雜的光纖激光器
4.3.2混合摻雜介質(zhì)的速率方程
4.3.3混合摻雜需要注意的問題
4.4頻率上轉(zhuǎn)換
4.4.1頻率上轉(zhuǎn)換的概念
4.4.2頻率上轉(zhuǎn)換光纖激光器
4.5自調(diào)Q自鎖模
4.5.1同時(shí)自調(diào)Q和自鎖模光纖激光器
4.5.2主動(dòng)調(diào)Q和被動(dòng)鎖模光纖激光器
4.5.3一例半導(dǎo)體激光器自調(diào)Q實(shí)驗(yàn)
4.5.4同時(shí)自調(diào)Q和自鎖模機(jī)理猜想
4.6多波長操作
4.6.1多波長輸出的早期探索
4.6.2基于非線性偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)產(chǎn)生多波長的技術(shù)
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第5章高功率光纖激光產(chǎn)生技術(shù)
5.1包層泵浦技術(shù)
5.1.1雙包層光纖結(jié)構(gòu)
5.1.2GTWAVE光纖結(jié)構(gòu)
5.2大模場光纖技術(shù)
5.2.1傳統(tǒng)雙包層低NA大模場摻雜光纖
5.2.2傳統(tǒng)大模場光纖激光器輸出突破千瓦瓶頸
5.2.3摻雜離子和激光波長
5.2.4近單模傳統(tǒng)大模場光纖激光器單纖輸出功率
5.2.5傳統(tǒng)大模場光纖激光器的單纖理論輸出功率極限
5.3雙包層大模場光子晶體光纖技術(shù)
5.4級聯(lián)泵浦技術(shù)
5.5合束技術(shù)
5.5.1相干合束技術(shù)
5.5.2光譜合束技術(shù)
5.6激光器光束質(zhì)量參數(shù)
5.7商用高功率光纖激光器
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第6章單頻窄線寬光纖激光產(chǎn)生技術(shù)
6.1單頻窄線寬光纖激光產(chǎn)生機(jī)理
6.2有源光纖短直腔DBR激光產(chǎn)生技術(shù)
6.3有源光纖DFB激光產(chǎn)生技術(shù)
6.4無源光纖非線性DFB激光產(chǎn)生技術(shù)
6.4.1概述
6.4.2拉曼-DFB光纖激光器理論模型
6.4.3拉曼-DFB光纖激光信號的動(dòng)態(tài)演變過程
6.4.4高功率拉曼-DFB光纖激光器的實(shí)現(xiàn)及其輸出特性
6.4.5拉曼-DFB光纖激光器的其他非線性現(xiàn)象
6.5高功率單頻窄線寬光纖激光最新進(jìn)展
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第7章光纖超快脈沖和超連續(xù)譜產(chǎn)生技術(shù)
7.1光纖超快脈沖產(chǎn)生機(jī)理
7.1.1光纖調(diào)Q脈沖激光產(chǎn)生技術(shù)
7.1.2光纖鎖模脈沖激光產(chǎn)生技術(shù)
7.1.3光纖啁啾脈沖放大技術(shù)
7.2光纖超連續(xù)譜光源產(chǎn)生機(jī)理
7.3光纖超快脈沖和超連續(xù)譜技術(shù)的最新進(jìn)展
7.3.1光纖超快脈沖技術(shù)最新進(jìn)展
7.3.2光纖超連續(xù)譜技術(shù)最新進(jìn)展
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第8章光纖激光器的應(yīng)用
8.1高功率光纖激光器的典型應(yīng)用
8.1.1在傳統(tǒng)加工制造方面的應(yīng)用
8.1.2在增材加工及制造方面的應(yīng)用
8.1.3在激光清洗方面的應(yīng)用
8.1.4在國防領(lǐng)域的應(yīng)用
8.2單頻窄線寬光纖激光器的應(yīng)用
8.3超快脈沖光纖激光器的應(yīng)用
8.4超連續(xù)譜光源的應(yīng)用
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
第9章光纖激光器的未來
9.1從市場角度看光纖激光器的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
9.2超大功率光纖激光器的光場調(diào)控技術(shù)
9.3高平均功率超快光纖激光器的未來發(fā)展趨勢
9.4單頻窄線寬光纖激光器的未來應(yīng)用前景
參考文獻(xiàn)與深入閱讀
索引
書單推薦
