飛秒激光在透明介質中的傳輸與超連續光輻射特性 [Propagation of Femtosecond Laser Pulse in Transparent Medium and Supercontinuum Emission] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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宋曉偉，陶海岩，林景全 著

圖書標籤:

• 飛秒激光
• 超連續光輻射
• 透明介質
• 非綫性光學
• 激光物理
• 光學
• 超快光學
• 脈衝傳播
• 光縴光學
• 光譜學

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118115062

版次：1

商品編碼：12278109

包裝：平裝

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

開本：32開

齣版時間：2017-12-01

用紙

內容簡介

　　《飛秒激光在透明介質中的傳輸與超連續光輻射特性》介紹瞭飛秒激光超連續輻射的研究進展和物理機製以及著者近年來在飛秒激光超連續輻射領域取得的一些研究成果，其中包括飛秒激光大氣及低壓氮氣填充毛細管中超連續輻射，飛秒激光在硫酸銅溶液以及水摻雜納米銀粒子液體中産生超連續輻射，石英玻璃及氟化鋇晶體中飛秒激光成絲及超連續輻射，同時也對飛秒超連續輻射對PIN探測器工作性能影響效果進行瞭闡述。
　　《飛秒激光在透明介質中的傳輸與超連續光輻射特性》可供從事與光學學科相關專業的師生以及科研人員學習和參考，也可作為光電信息科學與工程專業和應用物理專業本科生的教材。

作者簡介

　　宋曉偉，博士、副教授。1996—2000年在高功率半導體激光國防科技重點實驗室工作。2001—2005年曾經在日本築波大學物理係以及日本産業技術綜閤研究所金剛石研究中心從事半導體激光技術的研究工作。2008年9月迴國到長春理工大學理學院任教並在超快光學實驗室開展研究工作。現從事飛秒激光應用方麵的研究，主要開展瞭飛秒激光成絲及其超連續輻射，飛秒激光材料錶麵功能性微納結構的製備等實驗研究工作。近五年來，發錶學術論文10餘篇，參與或承擔國傢科技部973項目子課題、國傢自然科學基金以及省級科研項目等6項。

目錄

第一章 緒論
1．1 引言
1．2 飛秒激光超連續輻射的研究進展
1．2．1 氣體介質中獲得飛秒超連續輻射
1．2．2 液體介質中獲得飛秒超連續輻射
1．2．3 透明固體介質中獲得飛秒超連續輻射
1．3 飛秒激光超連續輻射的應用
1．4 飛秒激光在透明介質中産生超連續輻射的必要性及意義

第二章 飛秒激光成絲及超連續輻射産生的物理機製
2．1 引言
2．2 成絲現象中的一些主要物理機製
2．2．1 剋爾自聚焦
2．2．2 多光子電離
2．2．3 等離子體散焦
2．3 等離子體絲的形成
2．4 飛秒激光成絲主要物理模型
2．4．1 運動焦點模型
2．4．2 自導引模型
2．4．3 空間動態補償模型
2．5 強度鉗製
2．6 超連續輻射白光的産生機製
2．6．1 自相位調製（SPM）
2．6．2 錐角輻射
2．6．3 三次諧波的産生
2．7 小結

第三章 飛秒激光大氣中超連續輻射的産生
3．1 引言
3．2 實驗裝置
3．3 實驗結果及討論
3．3．1 超連續輻射的空間分辨
3．3．2 成絲透鏡的焦距大小對超連續輻射光譜展寬的影響
3．4 小結

第四章 低壓氮氣填充毛細管中的飛秒超連續輻射
4．1 引言
4．2 實驗裝置及方法
4．3 實驗結果和討論
4．4 小結

第五章 飛秒激光在硫酸銅溶液中産生的超連續輻射
5．1 引言
5．2 實驗裝置
5．3 實驗結果及分析
5．3．1 硫酸銅溶液作為飛秒超連續輻射産生介質的選取
5．3．2 硫酸銅溶液濃度對超連續光譜的影響
5．3．3 飛秒激光脈衝能量對硫酸銅溶液超連續光譜的影響
5．3．4 飛秒激光偏振態對硫酸銅溶液超連續光譜的影響
5．3．5 飛秒激光聚焦位置對硫酸銅溶液超連續光譜的影響
5．3．6 透鏡焦距對硫酸銅溶液超連續光譜的影響
5．4 小結

第六章 飛秒激光在水摻雜納米銀粒子液體中産生的超連續輻射
6．1 引言
6．2 實驗裝置與方法
6．3 實驗結果及分析
6．3．1 銀納米粒子濃度對超連續輻射的影響
6．3．2 入射激光脈衝能量對超連續輻射的影響
6．3．3 水摻雜銀納米粒子液體中的成絲起始位置對超連續輻射的影響
6．3．4 透鏡焦距大小對銀納米粒子溶液的超連續光譜的影響
6．3．5 入射激光偏振狀態對超連續光譜的影響
6．3．6 波長為400nm的飛秒激光在水摻雜銀納米粒子液體中超連續輻射
6．4 小結

第七章 石英玻璃及氟化鋇晶體中飛秒激光成絲與超連續輻射的産生
7．1 引言
7．2 實驗裝置與方法
7．3 實驗結果及分析
7．3．1 激光能量與偏振態對石英玻璃中成絲及超連續輻射的影響
7．3．2 入射激光脈衝能量對BaF2晶體內成絲及超連續光譜的影響
7．3．3 飛秒激光的偏振狀態對BaF2晶體內成絲與超連續輻射的影響
7．3．4 入射飛秒綫偏振光方嚮對：BaF2晶體內成絲與超連續輻射的影響
7．3．5 成絲起始位置對BaF2晶體內超連續輻射光譜的影響
7．4 小結

第八章 飛秒超連續輻射對PIN探測器工作性能的影響效果
8．1 引言
8．2 實驗裝置及方法
8．3 實驗結果及分析
8．3．1 飛秒激光脈衝對PIN探測器工作性能的影響效果
8．3．2 飛秒超連續輻射對PIN探測器工作性能的影響效果
8．4 小結

第九章 總結與展望
參考文獻
緻謝
作者簡介

飛秒激光的奧秘：穿梭透明介質，點亮光譜奇跡 一、 聚焦超快脈衝：飛秒激光的獨特魅力 在光的世界裏，我們早已熟悉瞭各種激光的形形色色，但有一種激光，以其令人驚嘆的短暫存在，徹底改寫瞭我們對光與物質相互作用的認知——那就是飛秒激光。它的脈衝持續時間短至飛秒（10⁻¹⁵秒）級彆，這在時間尺度上比眨眼、甚至比原子振動都要快得多。如此短暫而強大的能量聚集，使得飛秒激光在與物質相互作用時，能夠激發齣許多在傳統激光器下難以觀察到的非綫性光學現象，其中最引人注目的莫過於其在透明介質中的奇特傳輸行為以及由此産生的壯麗的超連續光（Supercontinuum）輻射。 飛秒激光的齣現，並非偶然。它是人類對光進行精細操控能力飛躍式提升的標誌。通過精密設計的激光器，科學傢們得以“捕獲”和“釋放”光能的瞬間，使得能量的注入和作用過程變得極為集中和高效。這種“瞬時爆發”的特性，賦予瞭飛秒激光獨特的“冷加工”能力，能夠對物質進行高精度、低損傷的處理，在材料加工、精密製造、生物醫學成像等領域展現齣巨大的應用潛力。 然而，飛秒激光的價值遠不止於此。當這些極短的脈衝穿過諸如玻璃、空氣、水等透明介質時，它們所激發的非綫性效應，尤其是剋爾效應（Kerr effect）引起的摺射率變化，會隨著光強的變化而變化。這種強烈的脈衝-介質耦閤，使得激光脈衝的形狀、頻譜和傳播特性發生深刻的改變。正是對這些復雜而精妙的相互作用機製的深入理解，構成瞭我們探索飛秒激光在透明介質中傳輸奧秘的核心。 二、 穿梭透明介質：脈衝的變形記 當一束飛秒激光脈衝進入透明介質時，一係列令人著迷的物理過程便開始上演。介質的非綫性響應，特彆是其電子雲的瞬時極化，使得介質的摺射率不再是恒定不變的，而是與激光的瞬時強度成正比。這種強度依賴的摺射率變化，導緻瞭兩種關鍵的效應： 自聚焦（Self-focusing）： 激光脈衝的中心部分強度最高，因此會引起最大的摺射率變化，導緻中心部分的傳播速度變慢，而邊緣部分則相對較快。這種差異性的速度，如同一個動態的透鏡，使得激光束在傳播過程中會逐漸收縮，形成自聚焦現象。這種聚焦效應的強度與激光的峰值功率密切相關。當激光功率超過一個臨界值（稱為臨界自聚焦功率）時，自聚焦效應會變得非常顯著，甚至可能導緻脈衝能量在局部區域的急劇增強。 自相位調製（Self-phase modulation, SPM）： 介質的強度依賴摺射率變化，也意味著激光脈衝的相位會隨著其自身強度的變化而改變。脈衝前沿強度較低，相位變化較小；脈衝峰值附近強度最高，相位變化最快；脈衝後沿強度降低，相位變化又趨於平緩。這種由脈衝自身強度引起的相位變化，被稱為自相位調製。SPM最直接的後果是脈衝頻譜的展寬。隨著脈衝內部不同部分相位被調製，原本單一頻率的光，會嚮兩側展寬，産生新的頻率成分。這種展寬的幅度與激光脈衝的持續時間、峰值功率以及介質的非綫性係數息息相關。 除瞭SPM，在多光子吸收（Multiphoton absorption）等過程的影響下，激光能量可能會被介質吸收，導緻脈衝的衰減。同時，色散（Dispersion）效應，即不同頻率的光在介質中傳播速度不同的現象，也會對脈衝的形狀和傳播産生重要影響。當 SPM 造成的頻譜展寬與介質的色散相結閤時，會産生更為復雜的相互作用。例如，在正常色散區域，SPM 産生的紅移頻率（脈衝後沿）傳播更快，而藍移頻率（脈衝前沿）傳播更慢，這會進一步拉長脈衝。在反常色散區域，情況則相反。 這些非綫性效應和綫性效應的復雜疊加，使得飛秒激光在透明介質中的傳輸過程不再是簡單的直綫傳播，而是一場充滿瞭動態變化的“變形記”。脈衝可能會經曆聚焦、解聚焦、頻譜展寬、形狀畸變等一係列令人著迷的物理過程，其最終的傳播形態和能量分布，取決於激光的初始參數（如功率、波長、脈衝寬度）和介質的非綫性光學特性。深入研究這些傳輸特性，對於理解飛秒激光在各種應用中的行為至關重要。 三、 點亮光譜奇跡：超連續光的神奇誕生 當飛秒激光的非綫性效應，特彆是 SPM，與強烈的色散效應發生協同作用時，就會誕生一種極其令人驚嘆的光學現象——超連續光（Supercontinuum）的輻射。簡單來說，超連續光是指一種在寬廣的光譜範圍內具有連續頻譜的光。它的齣現，就好比將一束單一顔色的光，瞬間“拉伸”成瞭彩虹般的光譜。 超連續光的産生，是飛秒激光與透明介質相互作用的“集大成者”。其核心機製在於： 極端的頻譜展寬： SPM 使得脈衝的頻譜不斷嚮兩側展寬，可能覆蓋從紫外到紅外的整個光譜範圍。在某些情況下，展寬的幅度甚至可以達到幾個數量級。 色散的協同作用： 介質的色散起到瞭至關重要的作用。在飛秒激光脈衝中，SPM 産生的不同頻率成分會經曆不同的色散效應。例如，在某些介質的正常色散區域，SPM 産生的藍移頻率（脈衝前沿）傳播較慢，而紅移頻率（脈衝後沿）傳播較快。這種速度差異可以將脈衝的能量“分散”到更寬的光譜範圍。更復雜的機製，如刺激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）和受激布裏淵散射（Stimulated Brillouin Scattering, SBS），也會在寬譜展寬中扮演重要角色，將能量從初始波長“轉移”到新的波長上，進一步推動超連續光光譜的形成。 高峰值功率的重要性： 飛秒激光的極高峰值功率是驅動這些非綫性效應的關鍵。隻有足夠強的光場，纔能有效地激發介質的非綫性響應，進而驅動 SPM 和其他非綫性過程，實現如此大規模的頻譜展寬。 超連續光的齣現，為許多科學研究和技術應用打開瞭新的大門。其最顯著的特點是其極其寬廣的光譜範圍和極高的光亮度。這使得它成為： 高分辨率光譜儀的理想光源： 能夠同時提供寬光譜範圍內的信號，大大提高瞭光譜分析的效率和精度，尤其是在生物醫學成像、化學傳感等領域。 光通信領域的潛在技術： 寬譜的光源可以容納更多信息通道，為高速、大容量的光通信提供可能。 精密測量和傳感的利器： 利用超連續光對目標物質進行探測，可以獲得豐富的頻譜信息，實現高靈敏度的測量和識彆。 基礎科學研究的平颱： 超連續光的産生和傳播過程本身，就是對復雜非綫性光學現象的生動展示，為科學傢們探索新物理現象提供瞭寶貴的平颱。 總之，飛秒激光在透明介質中的傳輸與超連續光的輻射，是一個融閤瞭精密激光技術、深刻的非綫性光學理論以及前沿科學應用的重要領域。對這一過程的深入研究，不僅能增進我們對光與物質相互作用本質的理解，更能催生齣驅動科技進步和社會發展的新技術和新方法。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容，我感覺不僅僅是一本教科書，更像是一位資深研究者對該領域多年深入探索的總結和分享。作者在介紹飛秒激光與透明介質相互作用的復雜性時，非常細緻地分析瞭各種可能影響光束演化的因素，例如脈衝形狀、偏振態、介質的非綫性響應時間等。他對於“色散管理”在控製脈衝演化和優化超連續光産生中的作用進行瞭深入的闡述，並給齣瞭多種有效的色散管理策略。我特彆欣賞的是，書中在探討超連續光輻射特性時，不僅僅關注瞭光譜的展寬，還對光譜的相乾性、強度穩定性以及在時間域上的演化進行瞭詳細的分析。這對於那些需要高品質超連續光源的應用領域，例如光縴傳感、光譜計量、精密測量等，具有極其重要的指導意義。作者在書中也穿插瞭一些曆史性的迴顧，簡要介紹瞭該領域重要的發展裏程碑和關鍵性實驗，這讓讀者對該領域的整體發展脈絡有瞭更清晰的認識。這本書展現瞭該領域研究的深度和廣度，以及作者本人深厚的學術功底。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀非常精美，采用硬殼精裝，紙張質量也相當不錯，摸起來有一種厚實而光滑的手感，給人一種值得珍藏的品質感。我隨手翻到書中關於“超連續光在生物成像中的應用”部分，發現作者非常注重將理論知識與實際應用相結閤。章節的開篇就列舉瞭幾個超連續光在生物組織穿透、熒光成像、多光子顯微鏡等領域的重要應用案例，並深入分析瞭超連續光相比傳統光源的優勢，例如其寬光譜、高相乾性和高亮度等特性。在介紹完應用背景後，作者又詳細講解瞭超連續光是如何通過飛秒激光在特定介質（如光子晶體光縴）中産生的，以及如何通過調控激光參數和介質特性來優化超連續光的譜寬和形狀，以適應不同的成像需求。我特彆注意到書中提供瞭一些關於如何設計和製備用於産生特定超連續光的功能性材料的細節，這對於從事相關材料開發的研究人員來說，具有很高的參考價值。整本書在理論闡述和實際應用之間找到瞭一個很好的平衡點。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計非常吸引人，色彩搭配既沉穩又不失科技感，封麵的圖像隱約透露齣光束在介質中傳播的意象，讓人對內容充滿好奇。我在書店裏隨機翻開其中一頁，首先映入眼簾的是一幅精美的示意圖，清晰地展示瞭飛秒激光脈衝在不同介質中的傳播路徑以及可能發生的衍射和色散現象。圖例標注詳細，即使是對光學領域不太熟悉的讀者，也能大緻理解其含義。文字部分，我注意到作者在介紹基礎概念時，使用瞭非常形象的比喻，比如將激光脈衝比作一顆微小的“光子炸彈”，精準地轟擊介質，引發一係列連鎖反應。這種生動有趣的講解方式，極大地降低瞭理解門檻，讓原本可能枯燥晦澀的物理原理變得易於接受。而且，作者在探討飛秒激光與介質相互作用的復雜過程時，並沒有迴避其中的數學推導，但同時又提供瞭直觀的物理圖像來輔助理解，確保瞭理論的嚴謹性和應用的易懂性。整體來看，這本書從設計到內容，都散發著一種嚴謹又不失活力的學術氣息，讓人期待深入探索其中的奧秘。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本書，我首先被其厚實的內容所震撼，這通常意味著其中蘊含瞭大量的深入研究和詳實數據。我迫不及待地翻閱瞭目錄，看到諸如“非綫性光學效應”、“高次諧波産生”、“空間光束演化”等章節，這些都是我一直以來非常感興趣的研究方嚮。在瀏覽其中一個關於“飛秒激光誘導的介質損傷機製”的章節時，我發現作者不僅詳細闡述瞭理論模型，還引用瞭大量的實驗結果，並對不同介質在不同激光參數下的損傷閾值進行瞭對比分析。這對於進行實際應用研究的人來說，無疑提供瞭寶貴的參考數據。書中還穿插瞭許多圖錶，包括但不限於光譜圖、時間剖麵圖、空間分布圖等，這些圖錶的設計都非常清晰，數據標注準確，為理解復雜的物理現象提供瞭直觀的依據。我尤其欣賞作者在討論超連續光産生時，對不同泵浦波長、脈衝寬度以及介質色散特性的影響進行瞭係統性的梳理和分析，並給齣瞭優化超連續光譜寬度的建議。這本書的深度和廣度，足以滿足初學者建立基本概念，以及專業研究者深入探索的需求。

評分☆☆☆☆☆

這是一本極具啓發性的書籍，在閱讀過程中，我常常會産生新的思考和靈感。書中的語言風格非常嚴謹，但同時又充滿瞭邏輯性和條理性，使得復雜的技術概念能夠被清晰地呈現齣來。我特彆喜歡書中關於“高階非綫性效應”的討論，作者並沒有止步於常見的剋爾效應，而是深入探討瞭拉曼散射、自頻移、光摺變等對飛秒激光脈衝在介質中傳播行為産生重要影響的現象，並給齣瞭相應的數學模型和近似方法。在分析超連續光産生時，作者不僅關注瞭光譜展寬的機製，還探討瞭空間特性的演化，例如光束的橫模演化和自聚焦效應，這對於理解和控製超連續光的空間質量至關重要。書中還提到瞭如何利用機器學習的方法來預測和優化超連續光的産生過程，這是一個非常前沿的研究方嚮，也讓我看到瞭該領域未來的發展潛力。這本書不僅提供瞭紮實的理論基礎，更重要的是，它引導讀者去思考問題的本質，並鼓勵讀者進行創新性的研究。