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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＋:LiSCAF166

5.4.2 Cr4＋:Forsterite167

5.4.3 Cr4＋:YAG168

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-GRENOUILLE267

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XSPIDER281

8.5 二维SPIDER281

8.6 PICASO283

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△φCE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-CRAB407

12.4.2 SEA-SPIDER409

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-PD420

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