飞秒激光在透明介质中的传输与超连续光辐射特性 [Propagation of Femtosecond Laser Pulse in Transparent Medium and Supercontinuum Emission] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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宋晓伟，陶海岩，林景全 著

图书标签:

• 飞秒激光
• 超连续光辐射
• 透明介质
• 非线性光学
• 激光物理
• 光学
• 超快光学
• 脉冲传播
• 光纤光学
• 光谱学

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118115062

版次：1

商品编码：12278109

包装：平装

外文名称：Propagation of Femtosecond Laser Pulse in Transparent Medium and Supercontinuum Emission

开本：32开

出版时间：2017-12-01

用纸

内容简介

　　《飞秒激光在透明介质中的传输与超连续光辐射特性》介绍了飞秒激光超连续辐射的研究进展和物理机制以及著者近年来在飞秒激光超连续辐射领域取得的一些研究成果，其中包括飞秒激光大气及低压氮气填充毛细管中超连续辐射，飞秒激光在硫酸铜溶液以及水掺杂纳米银粒子液体中产生超连续辐射，石英玻璃及氟化钡晶体中飞秒激光成丝及超连续辐射，同时也对飞秒超连续辐射对PIN探测器工作性能影响效果进行了阐述。
　　《飞秒激光在透明介质中的传输与超连续光辐射特性》可供从事与光学学科相关专业的师生以及科研人员学习和参考，也可作为光电信息科学与工程专业和应用物理专业本科生的教材。

作者简介

　　宋晓伟，博士、副教授。1996—2000年在高功率半导体激光国防科技重点实验室工作。2001—2005年曾经在日本筑波大学物理系以及日本产业技术综合研究所金刚石研究中心从事半导体激光技术的研究工作。2008年9月回国到长春理工大学理学院任教并在超快光学实验室开展研究工作。现从事飞秒激光应用方面的研究，主要开展了飞秒激光成丝及其超连续辐射，飞秒激光材料表面功能性微纳结构的制备等实验研究工作。近五年来，发表学术论文10余篇，参与或承担国家科技部973项目子课题、国家自然科学基金以及省级科研项目等6项。

目录

第一章 绪论
1．1 引言
1．2 飞秒激光超连续辐射的研究进展
1．2．1 气体介质中获得飞秒超连续辐射
1．2．2 液体介质中获得飞秒超连续辐射
1．2．3 透明固体介质中获得飞秒超连续辐射
1．3 飞秒激光超连续辐射的应用
1．4 飞秒激光在透明介质中产生超连续辐射的必要性及意义

第二章 飞秒激光成丝及超连续辐射产生的物理机制
2．1 引言
2．2 成丝现象中的一些主要物理机制
2．2．1 克尔自聚焦
2．2．2 多光子电离
2．2．3 等离子体散焦
2．3 等离子体丝的形成
2．4 飞秒激光成丝主要物理模型
2．4．1 运动焦点模型
2．4．2 自导引模型
2．4．3 空间动态补偿模型
2．5 强度钳制
2．6 超连续辐射白光的产生机制
2．6．1 自相位调制（SPM）
2．6．2 锥角辐射
2．6．3 三次谐波的产生
2．7 小结

第三章 飞秒激光大气中超连续辐射的产生
3．1 引言
3．2 实验装置
3．3 实验结果及讨论
3．3．1 超连续辐射的空间分辨
3．3．2 成丝透镜的焦距大小对超连续辐射光谱展宽的影响
3．4 小结

第四章 低压氮气填充毛细管中的飞秒超连续辐射
4．1 引言
4．2 实验装置及方法
4．3 实验结果和讨论
4．4 小结

第五章 飞秒激光在硫酸铜溶液中产生的超连续辐射
5．1 引言
5．2 实验装置
5．3 实验结果及分析
5．3．1 硫酸铜溶液作为飞秒超连续辐射产生介质的选取
5．3．2 硫酸铜溶液浓度对超连续光谱的影响
5．3．3 飞秒激光脉冲能量对硫酸铜溶液超连续光谱的影响
5．3．4 飞秒激光偏振态对硫酸铜溶液超连续光谱的影响
5．3．5 飞秒激光聚焦位置对硫酸铜溶液超连续光谱的影响
5．3．6 透镜焦距对硫酸铜溶液超连续光谱的影响
5．4 小结

第六章 飞秒激光在水掺杂纳米银粒子液体中产生的超连续辐射
6．1 引言
6．2 实验装置与方法
6．3 实验结果及分析
6．3．1 银纳米粒子浓度对超连续辐射的影响
6．3．2 入射激光脉冲能量对超连续辐射的影响
6．3．3 水掺杂银纳米粒子液体中的成丝起始位置对超连续辐射的影响
6．3．4 透镜焦距大小对银纳米粒子溶液的超连续光谱的影响
6．3．5 入射激光偏振状态对超连续光谱的影响
6．3．6 波长为400nm的飞秒激光在水掺杂银纳米粒子液体中超连续辐射
6．4 小结

第七章 石英玻璃及氟化钡晶体中飞秒激光成丝与超连续辐射的产生
7．1 引言
7．2 实验装置与方法
7．3 实验结果及分析
7．3．1 激光能量与偏振态对石英玻璃中成丝及超连续辐射的影响
7．3．2 入射激光脉冲能量对BaF2晶体内成丝及超连续光谱的影响
7．3．3 飞秒激光的偏振状态对BaF2晶体内成丝与超连续辐射的影响
7．3．4 入射飞秒线偏振光方向对：BaF2晶体内成丝与超连续辐射的影响
7．3．5 成丝起始位置对BaF2晶体内超连续辐射光谱的影响
7．4 小结

第八章 飞秒超连续辐射对PIN探测器工作性能的影响效果
8．1 引言
8．2 实验装置及方法
8．3 实验结果及分析
8．3．1 飞秒激光脉冲对PIN探测器工作性能的影响效果
8．3．2 飞秒超连续辐射对PIN探测器工作性能的影响效果
8．4 小结

第九章 总结与展望
参考文献
致谢
作者简介

飞秒激光的奥秘：穿梭透明介质，点亮光谱奇迹 一、 聚焦超快脉冲：飞秒激光的独特魅力 在光的世界里，我们早已熟悉了各种激光的形形色色，但有一种激光，以其令人惊叹的短暂存在，彻底改写了我们对光与物质相互作用的认知——那就是飞秒激光。它的脉冲持续时间短至飞秒（10⁻¹⁵秒）级别，这在时间尺度上比眨眼、甚至比原子振动都要快得多。如此短暂而强大的能量聚集，使得飞秒激光在与物质相互作用时，能够激发出许多在传统激光器下难以观察到的非线性光学现象，其中最引人注目的莫过于其在透明介质中的奇特传输行为以及由此产生的壮丽的超连续光（Supercontinuum）辐射。 飞秒激光的出现，并非偶然。它是人类对光进行精细操控能力飞跃式提升的标志。通过精密设计的激光器，科学家们得以“捕获”和“释放”光能的瞬间，使得能量的注入和作用过程变得极为集中和高效。这种“瞬时爆发”的特性，赋予了飞秒激光独特的“冷加工”能力，能够对物质进行高精度、低损伤的处理，在材料加工、精密制造、生物医学成像等领域展现出巨大的应用潜力。 然而，飞秒激光的价值远不止于此。当这些极短的脉冲穿过诸如玻璃、空气、水等透明介质时，它们所激发的非线性效应，尤其是克尔效应（Kerr effect）引起的折射率变化，会随着光强的变化而变化。这种强烈的脉冲-介质耦合，使得激光脉冲的形状、频谱和传播特性发生深刻的改变。正是对这些复杂而精妙的相互作用机制的深入理解，构成了我们探索飞秒激光在透明介质中传输奥秘的核心。 二、 穿梭透明介质：脉冲的变形记 当一束飞秒激光脉冲进入透明介质时，一系列令人着迷的物理过程便开始上演。介质的非线性响应，特别是其电子云的瞬时极化，使得介质的折射率不再是恒定不变的，而是与激光的瞬时强度成正比。这种强度依赖的折射率变化，导致了两种关键的效应： 自聚焦（Self-focusing）： 激光脉冲的中心部分强度最高，因此会引起最大的折射率变化，导致中心部分的传播速度变慢，而边缘部分则相对较快。这种差异性的速度，如同一个动态的透镜，使得激光束在传播过程中会逐渐收缩，形成自聚焦现象。这种聚焦效应的强度与激光的峰值功率密切相关。当激光功率超过一个临界值（称为临界自聚焦功率）时，自聚焦效应会变得非常显著，甚至可能导致脉冲能量在局部区域的急剧增强。 自相位调制（Self-phase modulation, SPM）： 介质的强度依赖折射率变化，也意味着激光脉冲的相位会随着其自身强度的变化而改变。脉冲前沿强度较低，相位变化较小；脉冲峰值附近强度最高，相位变化最快；脉冲后沿强度降低，相位变化又趋于平缓。这种由脉冲自身强度引起的相位变化，被称为自相位调制。SPM最直接的后果是脉冲频谱的展宽。随着脉冲内部不同部分相位被调制，原本单一频率的光，会向两侧展宽，产生新的频率成分。这种展宽的幅度与激光脉冲的持续时间、峰值功率以及介质的非线性系数息息相关。 除了SPM，在多光子吸收（Multiphoton absorption）等过程的影响下，激光能量可能会被介质吸收，导致脉冲的衰减。同时，色散（Dispersion）效应，即不同频率的光在介质中传播速度不同的现象，也会对脉冲的形状和传播产生重要影响。当 SPM 造成的频谱展宽与介质的色散相结合时，会产生更为复杂的相互作用。例如，在正常色散区域，SPM 产生的红移频率（脉冲后沿）传播更快，而蓝移频率（脉冲前沿）传播更慢，这会进一步拉长脉冲。在反常色散区域，情况则相反。 这些非线性效应和线性效应的复杂叠加，使得飞秒激光在透明介质中的传输过程不再是简单的直线传播，而是一场充满了动态变化的“变形记”。脉冲可能会经历聚焦、解聚焦、频谱展宽、形状畸变等一系列令人着迷的物理过程，其最终的传播形态和能量分布，取决于激光的初始参数（如功率、波长、脉冲宽度）和介质的非线性光学特性。深入研究这些传输特性，对于理解飞秒激光在各种应用中的行为至关重要。 三、 点亮光谱奇迹：超连续光的神奇诞生 当飞秒激光的非线性效应，特别是 SPM，与强烈的色散效应发生协同作用时，就会诞生一种极其令人惊叹的光学现象——超连续光（Supercontinuum）的辐射。简单来说，超连续光是指一种在宽广的光谱范围内具有连续频谱的光。它的出现，就好比将一束单一颜色的光，瞬间“拉伸”成了彩虹般的光谱。 超连续光的产生，是飞秒激光与透明介质相互作用的“集大成者”。其核心机制在于： 极端的频谱展宽： SPM 使得脉冲的频谱不断向两侧展宽，可能覆盖从紫外到红外的整个光谱范围。在某些情况下，展宽的幅度甚至可以达到几个数量级。 色散的协同作用： 介质的色散起到了至关重要的作用。在飞秒激光脉冲中，SPM 产生的不同频率成分会经历不同的色散效应。例如，在某些介质的正常色散区域，SPM 产生的蓝移频率（脉冲前沿）传播较慢，而红移频率（脉冲后沿）传播较快。这种速度差异可以将脉冲的能量“分散”到更宽的光谱范围。更复杂的机制，如刺激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）和受激布里渊散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS），也会在宽谱展宽中扮演重要角色，将能量从初始波长“转移”到新的波长上，进一步推动超连续光光谱的形成。 高峰值功率的重要性： 飞秒激光的极高峰值功率是驱动这些非线性效应的关键。只有足够强的光场，才能有效地激发介质的非线性响应，进而驱动 SPM 和其他非线性过程，实现如此大规模的频谱展宽。 超连续光的出现，为许多科学研究和技术应用打开了新的大门。其最显著的特点是其极其宽广的光谱范围和极高的光亮度。这使得它成为： 高分辨率光谱仪的理想光源： 能够同时提供宽光谱范围内的信号，大大提高了光谱分析的效率和精度，尤其是在生物医学成像、化学传感等领域。 光通信领域的潜在技术： 宽谱的光源可以容纳更多信息通道，为高速、大容量的光通信提供可能。 精密测量和传感的利器： 利用超连续光对目标物质进行探测，可以获得丰富的频谱信息，实现高灵敏度的测量和识别。 基础科学研究的平台： 超连续光的产生和传播过程本身，就是对复杂非线性光学现象的生动展示，为科学家们探索新物理现象提供了宝贵的平台。 总之，飞秒激光在透明介质中的传输与超连续光的辐射，是一个融合了精密激光技术、深刻的非线性光学理论以及前沿科学应用的重要领域。对这一过程的深入研究，不仅能增进我们对光与物质相互作用本质的理解，更能催生出驱动科技进步和社会发展的新技术和新方法。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧非常精美，采用硬壳精装，纸张质量也相当不错，摸起来有一种厚实而光滑的手感，给人一种值得珍藏的品质感。我随手翻到书中关于“超连续光在生物成像中的应用”部分，发现作者非常注重将理论知识与实际应用相结合。章节的开篇就列举了几个超连续光在生物组织穿透、荧光成像、多光子显微镜等领域的重要应用案例，并深入分析了超连续光相比传统光源的优势，例如其宽光谱、高相干性和高亮度等特性。在介绍完应用背景后，作者又详细讲解了超连续光是如何通过飞秒激光在特定介质（如光子晶体光纤）中产生的，以及如何通过调控激光参数和介质特性来优化超连续光的谱宽和形状，以适应不同的成像需求。我特别注意到书中提供了一些关于如何设计和制备用于产生特定超连续光的功能性材料的细节，这对于从事相关材料开发的研究人员来说，具有很高的参考价值。整本书在理论阐述和实际应用之间找到了一个很好的平衡点。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，我首先被其厚实的内容所震撼，这通常意味着其中蕴含了大量的深入研究和详实数据。我迫不及待地翻阅了目录，看到诸如“非线性光学效应”、“高次谐波产生”、“空间光束演化”等章节，这些都是我一直以来非常感兴趣的研究方向。在浏览其中一个关于“飞秒激光诱导的介质损伤机制”的章节时，我发现作者不仅详细阐述了理论模型，还引用了大量的实验结果，并对不同介质在不同激光参数下的损伤阈值进行了对比分析。这对于进行实际应用研究的人来说，无疑提供了宝贵的参考数据。书中还穿插了许多图表，包括但不限于光谱图、时间剖面图、空间分布图等，这些图表的设计都非常清晰，数据标注准确，为理解复杂的物理现象提供了直观的依据。我尤其欣赏作者在讨论超连续光产生时，对不同泵浦波长、脉冲宽度以及介质色散特性的影响进行了系统性的梳理和分析，并给出了优化超连续光谱宽度的建议。这本书的深度和广度，足以满足初学者建立基本概念，以及专业研究者深入探索的需求。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计非常吸引人，色彩搭配既沉稳又不失科技感，封面的图像隐约透露出光束在介质中传播的意象，让人对内容充满好奇。我在书店里随机翻开其中一页，首先映入眼帘的是一幅精美的示意图，清晰地展示了飞秒激光脉冲在不同介质中的传播路径以及可能发生的衍射和色散现象。图例标注详细，即使是对光学领域不太熟悉的读者，也能大致理解其含义。文字部分，我注意到作者在介绍基础概念时，使用了非常形象的比喻，比如将激光脉冲比作一颗微小的“光子炸弹”，精准地轰击介质，引发一系列连锁反应。这种生动有趣的讲解方式，极大地降低了理解门槛，让原本可能枯燥晦涩的物理原理变得易于接受。而且，作者在探讨飞秒激光与介质相互作用的复杂过程时，并没有回避其中的数学推导，但同时又提供了直观的物理图像来辅助理解，确保了理论的严谨性和应用的易懂性。整体来看，这本书从设计到内容，都散发着一种严谨又不失活力的学术气息，让人期待深入探索其中的奥秘。

评分☆☆☆☆☆

这是一本极具启发性的书籍，在阅读过程中，我常常会产生新的思考和灵感。书中的语言风格非常严谨，但同时又充满了逻辑性和条理性，使得复杂的技术概念能够被清晰地呈现出来。我特别喜欢书中关于“高阶非线性效应”的讨论，作者并没有止步于常见的克尔效应，而是深入探讨了拉曼散射、自频移、光折变等对飞秒激光脉冲在介质中传播行为产生重要影响的现象，并给出了相应的数学模型和近似方法。在分析超连续光产生时，作者不仅关注了光谱展宽的机制，还探讨了空间特性的演化，例如光束的横模演化和自聚焦效应，这对于理解和控制超连续光的空间质量至关重要。书中还提到了如何利用机器学习的方法来预测和优化超连续光的产生过程，这是一个非常前沿的研究方向，也让我看到了该领域未来的发展潜力。这本书不仅提供了扎实的理论基础，更重要的是，它引导读者去思考问题的本质，并鼓励读者进行创新性的研究。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容，我感觉不仅仅是一本教科书，更像是一位资深研究者对该领域多年深入探索的总结和分享。作者在介绍飞秒激光与透明介质相互作用的复杂性时，非常细致地分析了各种可能影响光束演化的因素，例如脉冲形状、偏振态、介质的非线性响应时间等。他对于“色散管理”在控制脉冲演化和优化超连续光产生中的作用进行了深入的阐述，并给出了多种有效的色散管理策略。我特别欣赏的是，书中在探讨超连续光辐射特性时，不仅仅关注了光谱的展宽，还对光谱的相干性、强度稳定性以及在时间域上的演化进行了详细的分析。这对于那些需要高品质超连续光源的应用领域，例如光纤传感、光谱计量、精密测量等，具有极其重要的指导意义。作者在书中也穿插了一些历史性的回顾，简要介绍了该领域重要的发展里程碑和关键性实验，这让读者对该领域的整体发展脉络有了更清晰的认识。这本书展现了该领域研究的深度和广度，以及作者本人深厚的学术功底。