超快光学

1 简介和回顾

1.1 超快激光脉冲简介

1.2 电磁学简要回顾

1.2.1 麦克斯韦方程

1.2.2 波动方程和平面波

1.2.3 坡印廷矢量和功率流

1.3 激光原理回顾

1.3.1 稳态激光运转

1.3.2 四能级原子的增益和增益饱和

1.3.3 高斯光束和激光横模

1.4 锁模引起的超短脉冲生成的简介

1.5 傅里叶级数和傅里叶变换

1.5.1 解析方法

1.5.2 计算方法

习题

2 锁模原理

2.1 锁模所涉及的过程

2.2 主动锁模

2.2.1 时域处理方法

2.2.2 频域处理方法

2.2.3 不同的主动锁模方法

2.3 采用饱和吸收体的被动锁模

2.3.1 饱和模型

2.3.2 慢饱和吸收体锁模

2.3.3 快饱和吸收体锁模

2.4 利用光克尔效应的固体激光器锁模

2.4.1 非线性折射率变化

2.4.2 自振幅调制、自相位调制和群速度色散

2.4.3 加成脉冲锁模

2.4.4 克尔透镜锁模

2.4.5 锁模方程的解

2.4.6 锁模的启动问题

习题

3 超快脉冲测量方法

3.1 专业术语和定义

3.2 电场自相关测量和功率谱

3.3 电场互相关测量以及光谱干涉法

3.3.1 电场互相关作用

3.3.2 频谱干涉法

3.3.3 应用：光学相干断层扫描

3.4 强度相关测量

3.4.1 利用二次谐波产生的相关测量

3.4.2 实验步骤

3.4.3 采用双光子吸收的相关测量

3.4.4 高阶相关技术

3.5 啁啾脉冲和时一频域测量

3.6 频率分辨光学门

3.6.1 频率分辨偏振光学门

3.6.2 自衍射FROG

3.6.3 二次谐波产生FROG

3.6.4 采用时域相位调制的频率分辨光学门

3.6.5 从FROG图形恢复信号

3.7 基于频率滤波的脉冲测量

3.7.1 单缝方法

3.7.2 双缝方法

3.8 自参考干涉法

3.8.1 啁啾脉冲的时域干涉法

3.8.2 自参考光谱干涉法

3.9 噪声和抖动的表征

习题

4 色散与色散补偿

4.1 群速度色散

4.1.1 群速度定义与广义色散关系

4.1.2 材料色散概述

4.2 基于角色散的时域色散

4.2.1 角色散与时域色散之间的关系

4.2.2 角色散及强度波前倾斜

4.3 光栅对的色散

4.4 棱镜对的色散

4.5 透镜的色散特性

4.6 镜面结构的色散

4.6.1 G-T干涉仪

4.6.2 1／4波片堆构成的高反射镜

4.6.3 啁啾反射镜

4.7 群速度色散的测量

4.7.1 干涉测量方法

4.7.2 频域腔内色散测量

4.8 附录

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

4.8.2 阻抗方法分析介质镜堆

习题

5 超快非线性光学：二阶

5.1 非线性光学概述

5.2 强迫波动方程

5.2.1 频域式

5.2.2 时域式

5.3 连续波二倍频的产生

5.3.1 相位匹配效应

5.3.2 双折射介质中的相位匹配

5.3.3 连续波二倍频产生中的聚焦效应

5.4 脉冲二倍频的产生

5.4.1 准连续波下的二倍频产生

5.4.2 超短脉冲的二倍频产生

5.4.3 准相位匹配

5.4.4 群速度走离对基于二倍频产生的脉冲测量的影响

5.5 三波相互作用

5.5.1 和频的产生

5.5.2 差频的产生

5.5.3 光参量放大

5.6 附录

5.6.1 各向异性介质中的空间走离和脉冲波前

5.6.2 宽带非共线三波混频中的速度匹配

习题

6 超快非线性光学：三阶

6.1 非线性折射率介质中的传播方程

6.1.1 均匀介质中的平面波

6.1.2 波导中的非线性传播

6.1.3 光纤类型

6.2 非线性薛定谔方程

6.3 自相位调制

6.3.1 无色散自相位调制

6.3.2 有损无色散自相位调制

6.3.3 正常色散下的自相位调制

6.3.4 相位调制

6.4 脉冲压缩

6.5 调制不稳定性

6.6 光孤子

6.7 高阶传播效应

6.7.1 均匀媒质中的非线性包络方程

6.7.2 波导中的非线性包络方程

6.7.3 延迟非线性响应和拉曼效应

6.7.4 自陡峭

6.7.5 空时聚焦

6.8 连续谱的产生

习题

7 锁模：前沿话题

7.1 孤子光纤激光器：人工快速可饱和吸收体

7.1.1 8字腔激光器

7.1.2 能量量化

7.1.3 孤子边带

7.2 孤子锁模：主动调制和慢饱和吸收体

7.2.1 谐波锁模孤子光纤激光器

7.2.2 孤子锁模中的净增益窗

7.3 拉伸脉冲锁模

7.3.1 拉伸脉冲锁模光纤激光器

7.3.2 色散管理孤子

7.3.3 理论问题

7.4 少周期锁模激光器

7.5 锁模频率梳

7.5.1 梳基本知识

7.5.2 测量方法

7.5.3 频率梳的稳定性

7.5.4 应用

习题

8 超短脉冲的操控

8.1 傅里叶变换脉冲整形

8.1.1 使用固定掩模的脉冲整形的例子

8.1.2 可编程脉冲整形

8.1.3 脉冲整形理论

8.2 其他的脉冲整形技术

8.2.1 直接空-时脉冲整形

8.2.2 声光色散滤波器

8.3 啁啾处理和时间透镜

8.3.1 空-时对偶性

8.3.2 啁啾处理

8.3.3 时间透镜处理

8.4 超短脉冲放大

8.4.1 放大的基础知识

8.4.2 飞秒放大器的特殊问题

8.5 附录

8.5.1 透镜的菲涅耳衍射和傅里叶变换性质

8.5.2 光栅的波动光学模型

习题

9 超快时间分辨光谱学

9.1 超快光谱学概述

9.2 简并的泵浦-探测透射测量

9.2.1 共偏振场：标量处理

9.2.2 矢量场与取向效应

9.3 非简并和光谱分辨的泵浦-探测：案例研究

9.3.1 染料分子的飞秒泵浦-探测研究

9.3.2 GaAs的飞秒泵浦-探测研究

9.4 相干短脉冲光谱学中的基本量子力学

9.4.1 基本的量子理论

9.4.2 密度矩阵

9.5 波包

9.5.1 例子：半导体量子阱

9.5.2 分子

9.6 退相现象

9.6.1 线性光谱学

9.6.2 退相模式

9.6.3 利用瞬态光栅测量退相

9.6.4 二维光谱学

9.7 冲激受激拉曼散射

习题

10 太赫兹时域电磁学

10.1 超快电磁学：传输线

10.1.1 光电导生成和采样

10.1.2 电光采样

10.2 超快电磁学：太赫兹波束

10.2.1 生成和测量太赫兹脉冲

10.2.2 太赫兹光谱学和成像

习题

参考文献

《超快光学》是世界首部全面、系统介绍超快光学技术的专著。主要阐述超快激光脉冲的产生、探测及传播过程中的物理原理及其在光纤通信、脉冲整形、超分辨率检测及分子动力学等领域的广泛应用。重点对超快光脉冲产生过程中的线性和非线性过程，包括超快脉冲锁模技术、色散特性及二阶和三阶非线性过程等做了全面且详尽的理论分析。
　　《超快光学》可供光电子学领域从事超快光学研究的科研人员、工程师阅读，也可以作为大专院校相关专业研究生和教师的参考书。