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1 简介和回顾1

1.1 超快激光脉冲简介1

1.2 电磁学简要回顾3

1.2.1 麦克斯韦方程3

1.2.2 波动方程和平面波5

1.2.3 坡印廷矢量和功率流6

1.3 激光原理回顾7

1.3.1 稳态激光运转8

1.3.2 四能级原子的增益和增益饱和11

1.3.3 高斯光束和激光横模13

1.4 锁模引起的超短脉冲生成的简介16

1.5 傅里叶级数和傅里叶变换18

1.5.1 解析方法18

1.5.2 计算方法20

习题21

2 锁模原理23

2.1 锁模所涉及的过程23

2.2 主动锁模24

2.2.1 时域处理方法24

2.2.2 频域处理方法28

2.2.3 不同的主动锁模方法31

2.3 采用饱和吸收体的被动锁模32

2.3.1 饱和模型34

2.3.2 慢饱和吸收体锁模36

2.3.3 快饱和吸收体锁模39

2.4 利用光克尔效应的固体激光器锁模41

2.4.1 非线性折射率变化42

2.4.2 自振幅调制、自相位调制和群速度色散42

2.4.3 加成脉冲锁模44

2.4.4 克尔透镜锁模47

2.4.5 锁模方程的解55

2.4.6 锁模的启动问题59

习题61

3 超快脉冲测量方法63

3.1 专业术语和定义63

3.2 电场自相关测量和功率谱65

3.3 电场互相关测量以及光谱干涉法68

3.3.1 电场互相关作用68

3.3.2 频谱干涉法69

3.3.3 应用：光学相干断层扫描71

3.4 强度相关测量73

3.4.1 利用二次谐波产生的相关测量73

3.4.2 实验步骤81

3.4.3 采用双光子吸收的相关测量82

3.4.4 高阶相关技术83

3.5 啁啾脉冲和时-频域测量84

3.6 频率分辨光学门88

3.6.1 频率分辨偏振光学门89

3.6.2 自衍射FROG91

3.6.3 二次谐波产生FROG92

3.6.4 采用时域相位调制的频率分辨光学门94

3.6.5 从FROG图形恢复信号94

3.7 基于频率滤波的脉冲测量97

3.7.1 单缝方法98

3.7.2 双缝方法100

3.8 自参考干涉法101

3.8.1 啁啾脉冲的时域干涉法101

3.8.2 自参考光谱干涉法102

3.9 噪声和抖动的表征104

习题107

4 色散与色散补偿109

4.1 群速度色散109

4.1.1 群速度定义与广义色散关系109

4.1.2 材料色散概述112

4.2 基于角色散的时域色散114

4.2.1 角色散与时域色散之间的关系114

4.2.2 角色散及强度波前倾斜117

4.3 光栅对的色散119

4.4 棱镜对的色散123

4.5 透镜的色散特性127

4.6 镜面结构的色散131

4.6.1 G-T干涉仪131

4.6.2 1/4波片堆构成的高反射镜133

4.6.3 啁啾反射镜135

4.7 群速度色散的测量137

4.7.1 干涉测量方法137

4.7.2 频域腔内色散测量140

4.8 附录141

4.8.1 传输经过平板层导致的频率相关相位：另一种推导方式141

4.8.2 阻抗方法分析介质镜堆142

习题144

5 超快非线性光学：二阶146

5.1 非线性光学概述146

5.2 强迫波动方程148

5.2.1 频域式148

5.2.2 时域式149

5.3 连续波二倍频的产生150

5.3.1 相位匹配效应152

5.3.2 双折射介质中的相位匹配154

5.3.3 连续波二倍频产生中的聚焦效应158

5.4 脉冲二倍频的产生162

5.4.1 准连续波下的二倍频产生162

5.4.2 超短脉冲的二倍频产生163

5.4.3 准相位匹配168

5.4.4 群速度走离对基于二倍频产生的脉冲测量的影响172

5.5 三波相互作用175

5.5.1 和频的产生177

5.5.2 差频的产生180

5.5.3 光参量放大181

5.6 附录187

5.6.1 各向异性介质中的空间走离和脉冲波前187

5.6.2 宽带非共线三波混频中的速度匹配188

习题189

6 超快非线性光学：三阶191

6.1 非线性折射率介质中的传播方程191

6.1.1 均匀介质中的平面波192

6.1.2 波导中的非线性传播193

6.1.3 光纤类型195

6.2 非线性薛定谔方程196

6.3 自相位调制199

6.3.1 无色散自相位调制200

6.3.2 有损无色散自相位调制202

6.3.3 正常色散下的自相位调制203

6.3.4 互相位调制203

6.4 脉冲压缩204

6.5 调制不稳定性210

6.6 光孤子212

6.7 高阶传播效应217

6.7.1 均匀媒质中的非线性包络方程217

6.7.2 波导中的非线性包络方程219

6.7.3 延迟非线性响应和拉曼效应220

6.7.4 自陡峭227

6.7.5 空时聚焦229

6.8 连续谱的产生230

习题233

7 锁模：前沿话题236

7.1 孤子光纤激光器：人工快速可饱和吸收体236

7.1.1 8字腔激光器236

7.1.2 能量量化240

7.1.3 孤子边带241

7.2 孤子锁模：主动调制和慢饱和吸收体245

7.2.1 谐波锁模孤子光纤激光器245

7.2.2 孤子锁模中的净增益窗246

7.3 拉伸脉冲锁模251

7.3.1 拉伸脉冲锁模光纤激光器251

7.3.2 色散管理孤子253

7.3.3 理论问题255

7.4 少周期锁模激光器256

7.5 锁模频率梳259

7.5.1 梳基本知识259

7.5.2 测量方法261

7.5.3 频率梳的稳定性263

7.5.4 应用265

习题268

8 超短脉冲的操控270

8.1 傅里叶变换脉冲整形270

8.1.1 使用固定掩模的脉冲整形的例子271

8.1.2 可编程脉冲整形275

8.1.3 脉冲整形理论281

8.2 其他的脉冲整形技术288

8.2.1 直接空-时脉冲整形288

8.2.2 声光色散滤波器291

8.3 啁啾处理和时间透镜294

8.3.1 空-时对偶性294

8.3.2 啁啾处理296

8.3.3 时间透镜处理298

8.4 超短脉冲放大302

8.4.1 放大的基础知识303

8.4.2 飞秒放大器的特殊问题307

8.5 附录311

8.5.1 透镜的菲涅耳衍射和傅里叶变换性质311

8.5.2 光栅的波动光学模型312

习题314

9 超快时间分辨光谱学316

9.1 超快光谱学概述316

9.2 简并的泵浦-探测透射测量319

9.2.1 共偏振场：标量处理319

9.2.2 矢量场与取向效应323

9.3 非简并和光谱分辨的泵浦-探测：案例研究329

9.3.1 染料分子的飞秒泵浦-探测研究329

9.3.2 GaAs的飞秒泵浦-探测研究332

9.4 相干短脉冲光谱学中的基本量子力学336

9.4.1 基本的量子理论337

9.4.2 密度矩阵340

9.5 波包343

9.5.1 例子：半导体量子阱344

9.5.2 分子345

9.6 退相现象350

9.6.1 线性光谱学350

9.6.2 退相模式354

9.6.3 利用瞬态光栅测量退相358

9.6.4 二维光谱学368

9.7 冲激受激拉曼散射371

习题375

10 太赫兹时域电磁学377

10.1 超快电磁学：传输线377

10.1.1 光电导生成和采样377

10.1.2 电光采样381

10.2 超快电磁学：太赫兹波束384

10.2.1 生成和测量太赫兹脉冲384

10.2.2 太赫兹光谱学和成像392

习题395

参考文献397