飞秒激光技术（第二版）

图书标准信息

• 作者 张志刚 著
• 出版社 科学出版社
• 出版时间 2017-06
• 版次 2
• ISBN 9787030531407
• 定价 199.00元
• 装帧 精装
• 开本 16开
• 纸张 胶版纸
• 页数 484页
• 字数 600千字
• 正文语种 简体中文
• 丛书 光学与光子学丛书

【内容简介】

《飞秒激光技术（第二版）》介绍飞秒激光原理、技术和应用。《飞秒激光技术（第二版）》共分为14章，第1章和第2章是飞秒光学的基本内容；第3~6章介绍飞秒固体激光器和光纤激光器的原理和设计；第7章介绍飞秒激光脉冲放大技术；第8章介绍飞秒激光脉冲特性测量技术；第9章和第10章介绍飞秒激光脉冲频率变换技术和腔外脉冲压缩与整形技术；第11章介绍脉冲的相干控制和频率合成技术；第12章介绍高次谐波与阿秒脉冲产生技术；第13章介绍飞秒激光太赫兹波技术；第14章介绍飞秒激光微加工技术。

【作者简介】

张志刚，1955年出生于北京市。北京大学教授，首批“长江学者奖励计划”特聘教授。2016年被选为美国光学学会会士(oafellow)。年于澳大利亚monah大学获理学博士，年至1999年先后在本产业创造研究所、株式会社luminex、通产省技术研究院电子技术综合研‘究所、天津大学工作，并先后在本北海道大学、电气通信大学、法国傅里叶大学、美国麻省理工学院做访问教授。长期从事固体和光纤飞秒激光技术及应用研究。在宽带半导体饱和吸收镜技术、脉冲展宽压缩理论、高重复频率飞秒光纤激光器和频率梳等领域有成果。在国外学术期刊发表100余篇，在靠前发表数十篇。

精彩内容：

章超快光学基础超短光脉冲在介质中的传播是飞秒激光技术的基础，其中包括线传播和非线传播。本章从maxwell方程组出发，简要介绍面波脉冲在散介质中的传播特，引出啁啾、啁啾补偿和傅里叶变换受限脉冲的概念。随后介绍脉冲在介质中的非线传播，包括自相位调制、互相位调制、自陡峭、可饱和吸收介质的传播中获得的啁啾。更多的线和非线啁啾机制留待第9章描述。1.1光与物质相互作用光学脉冲脉宽短到与它的频率的倒数接近时，它的光谱迅速变宽。一般来说，物质的折率依频率而改变。如果超短脉冲通过这样的介质，各波长的传播速度不一样，会造成脉冲在时域的形变。这与讨论准单光时根本不虑折率随波长的改变的情况不同。本节从maxwell方程组出发，导出缓变包络近似下的波动方程。1.1.1maxwell方程组同所有的电磁现象一样，光脉冲在透明介质中的传播满足maxwell方程组(1.11)以及物质方程(1.12)其中，e和h分别为电场强度矢量和磁场强度矢量；d和b分别为电位移矢量和磁感应强度矢量；电流密度矢量j和电荷密度f表示电场的源，p、m分别为感应电极化强度和磁极化强度。为真空中介电常数；10为真空中的磁导率。在各向同固体透明介质中，j=0，f=0，m=0。利用(1.13)并把物质方程代入maxwell方程组，则可以得到(1.14)？整理上式，得到(1.15)其中，为真空中的光速。(1.16)通过简化，式(1.16)可以改写为如下形式：(1.17)1.1.2面波的波动方程光在各向同固体透明介质中(j=0，f=0，m=0)传输时，为了简化，我们采取标量形式的maxwell方程，式(1.17)将简化为如下形式：(1.18)在真空中，p=0，可以得到(1.19)即真空中的波动方程。这个方程有如下形式的解：(1.110)可写成复数形式(1.111)或写成(1.112)其中，表示复数共轭。以下表示中，为了简便，可直接取以下形式：(1.113)为了完整表达光波传播，还需要找到极化强度矢量p和电场强度e的关系。当光频与介质共振频率接近时，p的计算必须用量子力学方法。但在远离介质的共振频率处，在各向同的透明介质中，p和e的关系式可以唯象地写成(1.114)其中(1.115)利用式(1.110)，波动方程(1.18)可以写成如下形式(1.116)(1.117)其中，用到了和同时设了nl不随时间变化。在不虑非线极化强度时，式(1.117)成为(1.118)比较式(1.19)和(1.118)，可以看到，光传播在介质中和在真空中具有相同形式的波动方程。1.1.3缓变包络近似在处理超短脉冲与物质相互作用时，为了简化波动方程，我们常常引入一个所谓“缓变包络近似”(lowlyvaryingenvelopeappromation，vea)。这个定分别包含空间域和时间域的设，以将方程(1.17)中对空间和时间的二阶导数简化为一阶导数。我们将光的传播确定为沿z轴方向，电场强度和极化强度矢量分别写为(1.119)(1.120)(1)空间近似。如果光在脉冲宽度的时间尺度下所走的距离d远远小于波长，即d，则缓变包络近似告诉我们，电场对传播方向z的一阶导数远远小于其波数乘以电场强度(1.121)同理，二阶导数满足(1.122)联系式(1.121)，式(1.122)可以写为(1.123)(2)时间近似。如果脉宽(包络)远远大于载波周期，即其中。则缓变包络近似是说，电场对时间t的一阶导数远远小于其频率与电场强度的乘积(1.124)应用于对时间的二阶导数(1.125)或(1.126)对于极化强度矢量，我们可以做同样的近似(1.127)将式(1.119)和(1.120)中的电场强度和极化强度矢量分别对z和t求导(1.128)(1.129)(1.130)(1.131)根据缓变包络近似，式(1.129)~(1.131)中对距离和时间的二阶导数都远小于括号中的第二项和第三项，因此可将其忽略。这样以上三式简化为(1.132)？(1.133)(1.134)将式(1.132).(1.134)代入式(1.18)，(1.135)消去相同项，式(1.135)整理简化为(1.136)这是缓变振幅下的maxwell方程。虑到介质散，式(1.136)中的电场复振幅可以表示为其频域电场的傅里叶变换(1.137)(1.138)将k在频域展开，方程中介质中光速c换成群速度vg，若展开到二阶项，电场强度对z的一阶导数可以写为(1.139)将式(1.139)代入式(1.136)，整理得(1.140)如果引入运动坐标系，并进行复合函数对空间和时间坐标的求导(1.141)？(1.142)缓变包络近似下的波动方程简化为(1.143)1.2超短光脉冲在各向同介质中的线传播1.2.1面波啁啾脉冲的传播1.波形的描述超短脉冲一般指小于纳秒的脉冲，包括皮秒和飞秒。脉冲越短，定义它的特越困难。在飞秒范围，即使“脉宽”这样一个简单的概念都很难确定，部分原因是很难界定脉冲的形状。对于单个脉冲，典型且容易衡量的量是自相关函数。事实上，自相关函数是对称的，不管是条纹分辨的自相关，还是强度自相关，其傅里叶变换是实数，意味着很难从自相关函数抽取脉冲形状的信息。为了简化讨论，我们常常把脉冲形状近似为几种常见的比较典型的而又容易在数学上处理的函数(高斯型、双曲正割型、洛伦兹型和非对称双曲正割型)。例如，由于孤子脉冲形成的机制，我们常把振荡器内和输出的脉冲近似为双曲正割型。对于放大器出来的脉冲，由于增益窄化等效应，脉冲形状近似为高斯型。另外一个与脉冲形状相关的而又容易测量的量是脉冲的光谱，光谱和脉冲形状是傅里叶变换关系(当然还需要相位信息)。光谱很容易从光谱仪读出(注意是功率谱)。定光谱相位是常数，把光谱作傅里叶变换可以得出脉冲的时域形状。常数相位下脉冲时域形状与光谱的对应关系列于表1.21，其中脉宽p均定义为“半高全宽”(fullwidthhalfmamum，fwhm)。时间带宽积的讨论见1.2.2节。关于脉冲形状和相位测量的详细讨论将在第8章进行。表1.21典型的脉冲及光谱形状2.载波包络与载波包络相位载波包络相位的变化表现为载波在包络下的滑移。对于周期量级的脉冲，由于脉冲的包络下的光学周期少，载波和包络之间的相位显得十分重要。将电场

【目录】

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+：LiSCAF 166 
5.4.2 Cr4+：Forsterite 167 
5.4.3 Cr4+：YAG 168 
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-GRENOUILLE 267 
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XSPIDER 281 
8.5 二维SPIDER 281？
8.6 PICASO 283 
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