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第1章 飞秒光学基础 1

1.1光在各向同性介质中的传播 1

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 8

1.3超短光脉冲在介质中的非线性传播 14

1.3.1超短脉冲与介质的非线性相互作用 14

1.3.2 克尔透镜效应 15

1.3.3自相位调制 16

1.3.4 互相位调制作用 18

1.3.5自陡峭效应 19

1.3.6可饱和吸收 19

1.3.7其他非线性作用 20

1.3.8 非线性薛定谔方程 21

1.3.9孤子传输过程 22

参考文献 24

第2章 色散器件的原理与计算 25

2.1固体介质 25

2.2多层膜结构 27

2.2.1多层介质反射膜 27

2.2.2 啁啾反射镜 31

2.2.3超宽带配对啁啾镜 38

2.2.4 Gires-Tournois反射镜 39

2.2.5多腔和优化Gires-Tournois反射镜 41

2.3棱镜对 42

2.4光栅对 46

2.4.1负色散光栅对 46

2.4.2正色散光栅对 48

2.4.3无像差正色散光栅对 51

2.4.4光栅对与棱镜对的组合 53

2.5可编程相位补偿系统 54

2.5.1液晶相位调制器 54

2.5.2声光可编程色散滤波器 56

2.5.3可变形反射镜 59

2.6矢量色散图与矢量色散补偿法 60

2.7白光干涉与色散测量 61

2.7.1时域法 61

2.7.2频域法 64

2.7.3频域小波变换法 66

参考文献 69

第3章 固体激光器锁模理论 73

3.1克尔透镜锁模原理 73

3.1.1克尔透镜效应 74

3.1.2脉冲形成阶段的分析 76

3.2主方程和微扰算符方程 79

3.2.1主方程的导出 79

3.2.2主方程的解 82

3.3周期性和高阶色散的微扰 85

3.3.1稳态脉冲参数 87

3.3.2色散波及稳定性考虑 89

参考文献 92

第4章 半导体可饱和吸收镜锁模技术 93

4.1半导体可饱和吸收体 93

4.1.1半导体可饱和吸收体的能带 93

4.1.2半导体的能带与晶格常数 94

4.1.3半导体的能带与量子阱 95

4.1.4半导体可饱和吸收体的时间特性 96

4.2激光器参数与半导体可饱和吸收镜宏观特性的关系 96

4.2.1半导体可饱和吸收镜的宏观特性 96

4.2.2饱和吸收恢复时间的影响 98

4.2.3调制深度与非饱和损耗 99

4.2.4锁模建立时间 99

4.2.5饱和通量和多脉冲 101

4.2.6自调Q的抑制 101

4.3半导体可饱和吸收镜的类型 103

4.3.1反谐振法布里-珀罗型 103

4.3.2无谐振型可饱和吸收镜 105

4.3.3可饱和布拉格反射镜（SBR） 105

4.3.4宽带可饱和吸收镜 105

4.4低损耗宽带可饱和吸收镜 106

4.4.1金属膜与介质膜混合反射镜 106

4.4.2氧化AlAs布拉格反射镜 108

4.4.3氟化物与半导体混合反射镜 109

4.5半导体可饱和吸收镜中吸收层的设计 110

4.6低饱和通量SESAM 111

4.7量子点可饱和吸收镜 112

4.7.1量子点的能级结构 113

4.7.2量子点SESAM的结构 113

4.8碳纳米管锁模器件 114

4.8.1单壁碳纳米管作为可饱和吸收体 114

4.8.2单壁碳纳米管可饱和吸收镜的制备 116

参考文献 118

第5章 飞秒固体激光技术 121

5.1谐振腔的设计 121

5.1.1像散补偿谐振腔 121

5.1.2无增益介质时的ABCD矩阵 123

5.1.3克尔透镜的ABCD矩阵 125

5.2腔内色散补偿 132

5.2.1棱镜对色散补偿 132

5.2.2啁啾镜色散补偿 133

5.3钛宝石激光器 133

5.4掺Cr离子晶族的飞秒脉冲激光器 135

5.4.1 Cr 3+：LiSAF，Cr 3+： LiSCAF 136

5.4.2 Cr 4+：forsterite 137

5.4.3 Cr 4+：YAG 138

5.5掺Yb3+介质飞秒激光器 138

5.5.1 Yb3+离子的能级结构和光谱特性 138

5.5.2 Yb3+掺杂介质飞秒激光器 140

参考文献 142

第6章 飞秒光纤激光技术 146

6.1光纤简介 147

6.1.1单模光纤与大模场面积光纤 148

6.1.2双包层光纤与泵浦光的吸收效率 148

6.1.3微结构光纤或光子晶体光纤 150

6.1.4掺杂类别 150

6.1.5泵浦方式 151

6.2光纤激光器的锁模启动机制 152

6.2.1非线性环路反射镜 152

6.2.2非线性偏振旋转 156

6.2.3半导体可饱和吸收体 166

6.3脉冲形成机制 166

6.3.1 Ginzburg-Landau方程与解法 166

6.3.2孤子型锁模光纤激光器 167

6.3.3展宽-压缩型 171

6.3.4自相似型 175

6.3.5全正色散型 179

参考文献 182

第7章 飞秒激光脉冲放大技术 185

7.1放大器中的脉冲成型 185

7.1.1增益介质的饱和 185

7.1.2增益窄化 186

7.1.3 ASE的影响 187

7.2放大器中非线性折射率的影响 187

7.2.1自相位调制 187

7.2.2自聚焦 187

7.3放大器中脉冲的演化过程 188

7.4啁啾脉冲放大器 189

7.4.1再生放大器的构成 191

7.4.2脉冲在再生放大器腔内的演化 193

7.4.3隔离器 193

7.5多通式放大器 194

7.6啁啾脉冲放大器中的带宽控制与波长调谐 197

7.6.1超宽带放大器 197

7.6.2波长可调谐再生放大器 197

7.6.3用飞秒脉冲做种子的皮秒脉冲再生放大器 199

7.7啁啾脉冲放大器中的脉冲展宽和压缩 199

7.7.1标准脉冲展宽器（Martinez型） 199

7.7.2无像差脉冲展宽器（Offner型） 202

7.8负啁啾脉冲放大器 203

参考文献 205

第8章 飞秒激光脉冲特性测量技术 207

8.1飞秒脉冲的时域测量 207

8.1.1线性自相关 207

8.1.2非线性自相关 208

8.1.3三阶非线性非对称脉冲的测量 211

8.1.4自相关仪 212

8.1.5单脉冲自相关测量 213

8.2飞秒脉冲的相位测量：FROG法 215

8.2.1三阶非线性相关频率分辨光学开关法（FROG） 215

8.2.2二倍频频率分辨光学开关法（SHG-FROG） 218

8.2.3低功率时FROG的应用 220

8.3飞秒脉冲相位的测量：SPIDER法 220

8.3.1空间相干与时间相干 220

8.3.2参考光与信号光的相干 221

8.3.3信号光的自参考相干 222

8.3.4 自参考光谱相干电场重建法（SPIDER） 223

8.3.5 SPIDER装置的参数选择 226

8.3.6 SPIDER光谱相位的还原方法改进 227

8.3.7 SPIDER与FROG的测量精度比较 228

8.4超宽带弱信号的相位测量：XFROG与 XSPIDER 230

8.5二维SPIDER 230

8.6 PICASO 232

参考文献 232

第9章 飞秒激光脉冲频率变换技术 234

9.1非线性光学过程 234

9.2倍频 235

9.2.1 Ⅰ类匹配 235

9.2.2 Ⅱ类匹配 242

9.3三倍频 242

9.4参量过程 244

9.4.1参量产生与放大 245

9.4.2参量振荡 246

9.4.3非共线相位匹配的光参量过程 247

9.5参量啁啾放大器 251

9.6准相位匹配技术——周期极化结构晶体的应用 254

参考文献 257

第10章 飞秒激光脉冲压缩与整形技术 259

10.1普通光纤中的光谱扩展和脉冲压缩 260

10.1.1光纤中的脉冲非线性传播方程 260

10.1.2正常色散介质κ〞＞0中的脉冲压缩 261

10.1.3反常色散介质κ〞＜0中的孤子脉冲 265

10.2光子晶体光纤中的白光产生与脉冲压缩 266

10.2.1光子晶体光纤中的白光产生 266

10.2.2锥形光纤中的白光产生 271

10.2.3白光脉冲压缩 272

10.3中空光纤中的光谱展宽与脉冲压缩 273

10.3.1惰性气体的折射率 274

10.3.2脉冲在中空光纤中的传播 276

10.3.3脉冲在中空光纤中传播的色散和非线性效应 279

10.3.4 SLM补偿与周期量级脉冲产生 282

10.4中空光纤中的高能量周期量级脉冲产生 284

10.4.1气压梯度 285

10.4.2温度梯度 286

10.5体材料中的脉冲压缩 287

10.5.1基于三阶非线性的脉冲压缩 287

10.5.2基于二阶非线性的脉冲压缩 288

10.6脉冲的整型——频域调制与解调 289

10.6.1 4f系统相位控制技术 290

10.6.2逐线控制的脉冲整形 292

参考文献 293

第11章 飞秒激光脉冲相干控制与光学频率合成技术 297

11.1从频率计量学到光学相位控制 297

11.2飞秒激光器的相位控制 298

11.2.1载波包络相位的定义 299

11.2.2脉冲与脉冲之间的载波包络相位差 300

11.2.3载波包络频率偏差fCEO的测量 302

11.2.4飞秒激光脉冲载波包络相位的控制 303

11.2.5绝对载波包络相位 306

11.3飞秒脉冲放大器的相位测量和控制 308

11.3.1非线性光谱干涉法 308

11.3.2线性光谱干涉法 310

11.4参量放大器中的相位控制 313

11.5激光器的光学频率合成 314

11.5.1两个独立激光器的相干合成 315

11.5.2两个不同增益介质的固体激光器的相干合成 317

11.5.3飞秒光纤激光器的同步 319

11.5.4飞秒光纤激光器的相干合成：获得单周期脉冲 323

参考文献 325

第12章 飞秒激光太赫兹波技术 329

12.1太赫兹波的产生 329

12.1.1光电导天线 330

12.1.2光整流 331

12.1.3空气等离子体产生太赫兹脉冲 332

12.2太赫兹波的探测 333

12.2.1光电导取样 333

12.2.2自由空间电光技术 335

12.2.3空气等离子体探测太赫兹 337

12.3太赫兹波光谱学 338

12.4太赫兹波成像技术 340

12.4.1太赫兹射线成像的基本原理 340

12.4.2 太赫兹时域扫描成像 340

12.4.3太赫兹实时成像 341

12.4.4太赫兹层析成像 342

12.4.5太赫兹近场成像 344

12.4.6太赫兹成像技术的应用 346

参考文献 347

第13章 飞秒激光微加工技术 349

13.1超短脉冲激光与金属材料相互作用模型 350

13.1.1理论基础 350

13.1.2飞秒作用区 351

13.1.3皮秒作用区 352

13.1.4纳秒作用区 353

13.1.5金属材料精密加工的实验结果 353

13.2与聚合物材料作用的多光子吸收模型 354

13.2.1单光子吸收模型 354

13.2.2多光子吸收模型 356

13.3与透明电介质相互作用的动力学方程表述 360

13.4在透明介质中刻写微结构 362

13.5紫外硬化树脂中产生三维纳米结构 365

参考文献 367