超快激光原理与技术

目录 “先进光电子科学与技术丛书”序 第1章 超快激光发展概述 1 1.1 激光的原理特性与发展历程 1 1.1.1 光的自发辐射与受激辐射 1 1.1.2 脉冲激光的速率方程 4 1.1.3 光的相干性及光子简并度 7 1.1.4 激光的发明与发展 9 1.2 超快激光发展简述 10 1.2.1 超快激光产生技术的发展 10 1.2.2 超快激光放大技术的发展 12 1.3 超快激光的主要应用 14 参考文献 15 第2章 超快激光的特性 17 2.1 超快激光的基本特性 17 2.2 超快激光在介质中的传播方程 19 2.2.1 麦克斯韦波动方程 19 2.2.2 非线性薛定谔方程 22 2.2.3 高斯光束及贝塞尔光束 26 2.3 傅里叶变换关系 31 2.3.1 超短脉冲时域与频域的对应关系 32 2.3.2 时间带宽积 33 2.3.3 超短脉冲的峰值功率 35 2.4 群延迟及色散 36 2.4.1 超快激光的啁啾 37 2.4.2 色散的一般原理 39 2.4.3 典型的色散介质及元件 41 参考文献 56 第3章 超快激光测量原理与技术 59 3.1 双光子荧光技术 59 3.2 高速示波器脉宽测量 61 3.3 条纹相机的原理及脉冲测量 62 3.4 超快激光脉冲相关测量原理与方法64 3.4.1 强度自相关仪原理 64 3.4.2 干涉自相关仪原理 65 3.4.3 单次测量的原理与技术 71 3.4.4 三阶相关仪测量原理与技术 73 3.4.5 单次三阶自相关仪测量技术 76 3.5 FROG脉冲测量原理与技术 78 3.5.1 典型FROG测量原理与技术 78 3.5.2 SHG-FROG测量原理与技术 79 3.5.3 PG-FROG测量原理与技术 82 3.5.4 几种测量结果比较 86 3.6 SPIDER脉冲测量原理与技术 92 参考文献 98 第4章 激光锁模原理与技术 100 4.1 激光锁模的一般原理 101 4.1.1 基模纵模的锁定 101 4.1.2 高阶横模的纵模锁定 104 4.1.3 锁模的物理过程及探测 106 4.1.4 锁模的分类 106 4.2 主动锁模激光的原理与技术 107 4.2.1 主动锁模原理 107 4.2.2 调幅锁模 108 4.2.3 调频锁模 111 4.2.4 声光锁模Nd:YAG激光器 113 4.3 被动锁模激光的原理与技术 114 4.3.1 被动锁模的原理 114 4.3.2 可饱和吸收体 117 4.3.3 被动锁模染料激光器 126 参考文献 129 第5章 几种典型的超快激光光源 133 5.1 碰撞脉冲锁模染料激光器 133 5.1.1 碰撞脉冲锁模的原理 133 5.1.2 碰撞脉冲锁模染料激光及色散补偿 135 5.1.3 抗共振碰撞脉冲锁模Nd:YAG激光137 5.2 同步泵浦混合锁模激光器 138 5.2.1 同步泵浦锁模染料激光器 139 5.2.2 同步泵浦飞秒钛宝石激光器 139 5.3 耦合腔锁模（加成脉冲锁模）激光器142 5.4 克尔透镜锁模钛宝石激光器 145 5.4.1 KLM原理 145 5.4.2 KLM钛宝石激光器 147 5.4.3 色散补偿技术及亚10 fs 脉冲的产生 152 5.4.4 高能量KLM钛宝石激光器 156 5.4.5 高重复频率KLM钛宝石激光器 160 5.4.6 飞秒钛宝石激光的直接泵浦技术162 5.5 全固态锁模超快激光器 164 5.5.1 掺镱全固态飞秒锁模激光器 165 5.5.2 掺铬全固态飞秒锁模激光器 180 5.5.3 钕离子掺杂的锁模超快激光器 186 5.6 光纤锁模激光器 190 5.6.1 光纤锁模激光的原理 190 5.6.2 几种典型的光纤锁模激光器 195 5.6.3 典型波段的飞秒光纤激光器 200 参考文献 204 第6章 超快激光在固体介质中的非线性效应及频率变换 212 6.1 超快激光三波相互作用过程 213 6.2 超快激光的非线性混频 216 6.2.1 飞秒激光的腔内及腔外倍频 217 6.2.2 飞秒激光的三倍频 220 6.2.3 深紫外超快激光产生 222 6.3 超快激光的差频 225 6.4 超快激光的参量振荡 228 6.4.1 飞秒钛宝石激光同步泵浦的OPO 229 6.4.2 锁模Yb:KGW激光同步泵浦的PO 230 6.4.3 腔内倍频的超快OPO 233 6.4.4 飞秒可见光同步泵浦的OPO 236 6.5 超快激光的参量放大 238 6.6 四波混频产生的极紫外飞秒激光脉冲 241 参考文献 243 第7章 飞秒激光光谱的超连续展宽 248 7.1 超快激光在致密介质中的自相位调制效应 248 7.2 飞秒激光在光纤中的传输及光谱展宽 250 7.3 光子晶体光纤及拉锥光纤中的光谱展宽 254 7.3.1 光子晶体光纤中的光谱展宽 254 7.3.2 拉锥光纤中的光谱展宽 257 7.4 飞秒激光在充气波导中的光谱展宽260 7.5 飞秒激光在固体薄片组中的光谱展宽 263 7.6 飞秒激光在大气中的光谱展宽.265 7.7 啁啾极化的非线性晶体中级联产生的白光超连续光谱 266 7.7.1 准相位匹配的原理 266 7.7.2 准相位匹配器件设计 267 参考文献 270 第8章 飞秒激光脉冲压缩技术 273 8.1 少周期激光脉冲的关键技术 273 8.2 染料CPM 激光脉冲的压缩 273 8.3 腔倒空飞秒激光脉冲的压缩 274 8.4 高能量飞秒激光脉冲的压缩 276 8.5 参量放大激光脉冲的压缩 278 8.6 液晶光阀空间调制器及声光可编程色散滤波器脉冲压缩.279 8.6.1 液晶光阀空间调制器 279 8.6.2 声光可编程色散滤波器 283 参考文献 285 第9章 超快激光的相干控制与合成 287 9.1 飞秒激光脉冲的载波包络相位及相移 287 9.2 CEO的测量方法与技术 291 9.2.1 时域互相关测量技术 291 9.2.2 自参考测量技术 292 9.2.3 自差频测量技术 295 9.3 CEO的高精度控制 297 9.3.1 fceo噪声来源和抑制 298 9.3.2 锁相伺服反馈控制fceo技术 298 9.3.3 前置反馈控制fceo技术 299 9.4 飞秒激光腔长及重复频率锁定技术301 9.5 光学频率梳与频率综合器 302 9.6 超快激光的高精度同步 304 9.6.1 超快激光的主动同步和被动同步304 9.6.2 被动同步的物理机制 305 9.6.3 双波长同步激光器 308 9.7 飞秒激光的相干合成 309 9.7.1 光谱相干合成的关键参数 310 9.7.2 亚周期光场相位控制技术 311 9.7.3 亚周期光场相干合成 317 9.7.4 串联光谱相干合成 321 9.7.5 多路飞秒光纤激光功率相干合成322 参考文献 324 第10章 超快激光的放大与超强激光装置 328 10.1 激光强度的提高及瓶颈 328 10.2 啁啾脉冲放大的原理与结构 329 10.2.1 CPA的一般原理 329 10.2.2 脉冲展宽器 330 10.2.3 再生放大器 335 10.2.4 多通放大器 338 10.2.5 泵浦激光技术 344 10.2.6 放大过程中的自发辐射放大及寄生振荡.347 10.2.7 脉冲压缩器 349 10.3 参量啁啾脉冲放大的原理 354 10.3.1 CPA与OPCPA的比较 354 10.3.2 参量放大中的脉冲同步与脉冲匹配 356 10.3.3 参量增益与参量带宽 358 10.4 波前校正与控制 362 10.4.1 夏克–哈特曼传感器 362 10.4.2 变形镜 364 10.4.3 信号处理和控制系统 364 10.5 放大脉冲对比度的增强 368 10.5.1 纳秒预脉冲的抑制 369 10.5.2 高能量高对比度种子注入抑制ASE 370 10.5.3 利用交叉偏振滤波技术提高脉冲对比度 370 10.5.4 利用可饱和吸收体以及交叉偏振滤波的双CPA系统 371 10.5.5 利用短脉冲泵浦的OPA技术提高脉冲对比度 372 10.5.6 利用等离子镜技术提高压缩后激光对比度 373 10.6 基于CPA 技术和OPCPA技术的典型飞秒超强激光装置 374 参考文献 383 第11章 阿秒激光的原理与技术 387 11.1 高次谐波产生原理与阿秒脉冲 387 11.2 固体高次谐波原理和技术 392 11.3 产生阿秒激光脉冲的典型技术 396 11.3.1 振幅选通技术 396 11.3.2 偏振选通技术 397 11.3.3 双光选通技术 398 11.3.4 灯塔选通技术399 11.3.5 多路相干合成阿秒产生技术 400 11.4 阿秒激光测量原理与技术 401 11.4.1 阿秒互相关测量技术 401 11.4.2 双光子跃迁干涉阿秒重建法（RABBIT） 402 11.4.3 激光辅助侧向X射线光电离 403 11.4.4 阿秒条纹相机 404 11.4.5 阿秒SPIDER 405 11.4.6 非对称光电离法 406 11.4.7 阿秒自相关法 406 11.4.8 阿秒脉冲完全重建的频率分辨光学选通法 407 11.4.9 PROOF算法 408 11.5 阿秒激光脉冲未来发展趋势 409 11.5.1 高通量阿秒激光—阿秒强场物理409 11.5.2 双色场驱动的阿秒脉冲产生 412 11.5.3 高重复频率阿秒高次谐波 413 11.5.4 短波长超快激光驱动的高次谐波414 11.5.5 长波长超快激光驱动的阿秒脉冲415 参考文献 416 第12章 超快激光典型应用 423 12.1 时间分辨超快动力学 423 12.2 超快激光医学 427 12.3 超快激光加工 430 12.4 超快激光精密测量 434 12.5 飞秒激光成丝及等离子通道 437 12.6 超快太赫兹产生技术 439 12.7 凝聚态材料的超快电学特性及超快开关 443 12.8 飞秒激光尾波场加速及次级辐射447 12.9 基于超快激光的新型科学仪器 450 参考文献 454