国外飞秒激光教材评介.doc

国外飞秒激光教材评介 张心正 涂成厚 （南开大学物理学院 天津 300071）摘 要 飞秒激光是新的科学技术分支，目前国内还没有较全面 的飞秒激光教材。本文对国外相关教材Femtosecond Laser Pulses Principles and Experiments的主要内容、特点等几个方面对其进行了介绍和点评。关键词 飞秒激光 激光 外国教材飞秒激光（Femtosecond Laser）是八十年代初期诞生并迅速发展起来的激光前沿研究领域和新的科学技术分支。近二十年来，从染料激光器到克尔透镜锁模的钛宝石飞秒激光器，以及后来的二极管泵浦的全固态飞秒激光器和飞秒光纤激光器，飞秒激光得到了广泛的发展。Claude Rulliere的Femtosecond Laser Pulses Principles and Experiments飞秒激光脉冲 原理和实验（Springer 2005）是一本优秀的飞秒激光方面的英文教材，国内外许多大学将此书作为教材，这是一本值得关注、研究的物理学名著。1飞秒激光研究的意义和该书的写作背景飞秒激光的发展与超快过程的探测息息相关，它为我们提供了一种时间分辨率高达10-15 秒的光探针，使得我们有可能了解原子、分子的结构及其超快运动过程。通常的规律是：能探测运动过程的速度越高，对微观世界在空间的认识上则越细微。因此可以说，获得的激光脉冲宽度越窄，能促使我们研究物质微观世界的层次也就越深。这样，用超快技术研究超快过程成了超快光子学的主要任务之一。目前，对超快过程的研究表现最为活跃的方面有：飞秒半导体物理、飞秒化学中分子动力学过程、生物光合作用的超快过程、飞秒光电子技术、飞秒光谱全息技术、光层析(OCT)及光子成像技术。由于飞秒激光所具有的超短、超强和高分辨率等特性，在医学、超精细微加工、高密度信息储存和记录等方面，飞秒激光都有着很好的发展前景，新的应用领域也变得日益成熟。由于飞秒科学的迅猛发展，1991法国教育部根据超短脉冲对国家科学发展的重要性决定在法国成立一个飞秒中心，致力于培训科学家使用飞秒激光。最后选定Bordeaux大学的Claude Rulliere教授来负责这门培训课程。Claude Rulliere编辑的飞秒激光脉冲 原理和实验正是基于1992年开始的每周一次的飞秒训练课程，随着日积月累在很多专家的努力下而逐渐形成了该教科书。2本书的主要内容：第一章简单回顾了激光的基本原理：受激辐射、粒子束反转、谐振腔的稳定性以及激光产生，以便读者能更好的理解超快脉冲的产生过程。第二章介绍超短脉冲通过不同的光学器件和样品时实验中的基本问题，以及脉宽与带宽之间的关系及脉冲光下出现的各种非线性效应。第三章描述如何通过锁模方式产生超短脉冲，包括锁模原理、主动锁模、被动锁模以及自锁模等。第四章首先介绍几种典型的超短脉冲激光器，如气体激光器、染料激光器和固态激光器等，接下来讲非锁模产生超短脉冲的方法，最后讲超短脉冲激光器的最新进展，包括半导体泵浦激光器、飞秒光纤激光器、飞秒半导体激光器以及一些可用于产生飞秒脉冲的增益介质。第五章主要介绍半导体脉冲激光器（双异质结激光器、量子阱激光器VCSEL激光器等）及其特征。第六章主要介绍现有的操控和改变超短脉冲特征参数的方法，如脉宽压缩、放大、波长调谐等。第七章详细介绍如何测量超短脉冲的特征参数，如能量、功率、脉冲时间轮廓、光谱测量、振幅-相位测量（包括FROG、频率快门、SPIDER等方法）等。第八章描述了分析样品动力学的几种基本的光谱学方法，如泵浦探测技术、时间分辨发射谱、电子学方法（如条纹相机、单光子计数）和光学方法（如克尔快门、上转换荧光法方法）、时间分辨激发相关光谱、瞬态快门技术等。最后展示了几个典型的实验及结果，如基于克尔效应的一些研究、波分复用中衍射图样的直接观测等。第九章主要涉及当脉宽和样品的相干时间一样短时所遇到的问题，以及利用布洛赫方程得到的一些简单影像。第十章主要讲太赫兹波的产生、测量及时域太赫兹光谱。第十一章回顾利用物理过程中的相干控制来调控原子、分子和固体中的演化，并用几个导向反应的例子说明了这种技术的可行性。第十二章介绍了如何利用飞秒与物质相互作用产生高阶谐波，并可作为阿秒脉冲源的问题。尽量能让读者能对阿秒脉冲产生的原理以及该过程中涉及到的难点有一个好的理解。 3本书的特点本书的一大特点是全面，即讲解了飞秒脉冲的基本原理又讲解了如何使用飞秒脉冲。本书从飞秒激光的原理出发，介绍了超短脉冲光产生的原理、超短光脉冲的性能参数以及如何控制这些参数。同时详细阐述了飞秒激光领域中的各种问题，包括阿秒脉冲在远紫外光谱领域的产生、通过确定飞秒脉冲的形态的方式以及使化学反应的相干控制成为可能等新的研究等。在最后几章讲了超短光脉冲的几种应用，尤其是基于超短激光脉冲的实验方法。除此之外，在第二版中还增加了两个新的主题：通过裁剪飞秒脉冲形状实现化学反应中的相干控制（第十一章）以及x射线-紫外波段的阿秒脉冲产生技术（第十二章）。这就为希望在飞秒科学中深造的科学工作者提供了很好的参考，因此本书适用于那些没有必要被培训成激光专家，但是希望运用飞秒脉冲或获得对这种工具的正确理解的工程师以及研究人员，也适用于研究生或博士生在学习中的使用。通过这本书中提供的基本实验和练习可显著的提高这些人员的水平，这些实验和练习还可以在进一步的研究和实践中应用。这本书可使每个读者了解这个领域的发展方式。两类书可叫做名著：第一是那些经得起时间检验、对物理学的发展产生重要影响、现在还不“过时”的基础理论方面的经典教材。第二是反映物理学某一领域新进展的著作，其强调“前沿”和“热点”，反映了国内、国外物理学研究发展的实际情况，体现了相关学科的最新进展，对相关方向的科研人员和研究生有重要参考价值的书籍。Rulliere，Claude的飞秒脉冲激光-原理和实验属于后者，可称为国外物理学名著。该书详细介绍了飞秒超短脉冲的原理及应用，已被国外多所大学作为研究生的教科书使用，同时该书也是超短脉冲方向工程师、研究人员不可多得的参考书目。目前南开大学也把该书作为超快光学课程的主要参考书，国内尚没有该方面如此全面的教材，建议今后编写中文教材时可作为主要参考。4飞秒激光其他相关书籍激光是在有理论准备和生产实践 迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光按其泵浦方式可分为连续激光器和脉冲激光器两大类。连续激光器是采用连续或长脉冲（脉冲持续时间能级寿命）泵浦激励工作物质，使工作物质能级反转粒子数大于阈值并维持在稳定状态，连续输出激光。连续激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作（如激光通信、激光手术等）的场合。脉冲激光器是采用短脉冲（脉冲持续时间能级寿命）泵浦激励工作物质，在整个激励持续过程期间，上能级粒子数处在不断增长的非稳定状态，由于脉冲持续时间很短，在尚未达到新的平衡之前，过程就结束。脉冲激光器具有较大输出功率，适合于激光打标、切割、测距等。 常见的脉冲激光器：固体激光器中的钇铝石榴石（YAG）激光器、红宝石激光器、钕玻璃激光器等。 还有氮分子激光器、准分子激光器等。由此，人类被带进了一个崭新的时空世界，一系列新现象、新效应、新规律、新机制以及新理论、新方法、新应用等等便随之如雨后春笋般迅速涌现出来。国外除飞秒脉冲激光-原理和实验一书以外，还有其他一些相关书籍，这些书籍各具特点，在今后编写中文教材时可作为参考。以下是这些书籍的简介。1. 书名 Ultrashort Laser Pulse Phenomena：Fundamentals, Techniques, and Applications on a Femtosecond Time Scale(Optics and Photonics Series) 著者 Jean-Claude Diels ISBN 0122154932 出版社 Academic Press Inc. 20062书名 Optics of Femtosecond Laser Pulses 著者 S.A.Akhmanov ISBN 0883188511 出版社 American Institute of Physics 19923书名 Ultrafast Lasers：Technology and Applications 著者 Martin E.Fermann ISBN 0824708415 出版社 Marcel Dekker Inc. 2003其中：1.Ultrashort Laser Pulse Phenomena: Fundamentals, Techniques, and Applications on a Femtosecond Time Scale主要内容a) 基本原理b) 飞秒光学c) 物质光相互作用d) 干涉现象e) 超快光源f) 飞秒脉冲放大g) 脉冲整形h) 诊断技术i) 测试技术j) 物质中超快处理的例子k) 极端波长l) 透射反射引起的相移m) 染料激光器装置n) 四光子干涉作用o) 染料和溶剂p) 频谱相位的重构简评：这本书是关于超快激光现象较早的可供本科、研究生使用的教材。本书首先回顾了光在物质中传播的基本特性和对简单光学器件的知识，给读者提供了相关的基本概念，还通过许多表格给出了相关数值，这些都是设计可以调控这些脉冲的光学系统所必须的知识。其次对超快现象的一些基本原理、理论以及在电磁、光学和量子力学方面如何应用超快现象来检测其存在的问题进行了介绍。书中给出了设计包含超短脉冲的实验所必需的背景知识和工具，包含了很多方面的实验设计，如从光源的构建到超短脉冲放大器、超短脉冲的诊断手段、不同领域的和超短脉冲有关实验的设计等。除了简单的光学系统，本书还列出了不同种类的超短脉冲光源，强调基本概念和如何将它们应用于特殊的光源设计（染料激光器、固体激光器、半导体激光器、光纤激光器以及基于频率转换的光源）。这本书内容比较全面，既有简单的原理理论又有较复杂的实验及相关理论，适用于物理、工程、生物或化学领域的本科、研究生以及工程技术人员和研究人员等不同层次的人员作为参考资料使用。2. Optics of Femtosecond Laser Pulses 主要内容a) 线性色散介质中的短脉冲理论b) 光脉冲的自行为c) 自调制d) 自压缩e) 孤子和不稳定性f) 飞秒脉冲的参量行为和干涉散射g) 快速相位控制h) 光脉冲的压缩和整形i) 光孤子j) 在光学信息系统中的皮秒和飞秒脉冲简评：本书可以作为超快领域和超短脉冲研究的工作人员作为基本的参考资料。本书首先介绍了超短脉冲在线性介质中的传输行为，接着介绍了飞秒激光系统中的一些和调控有关的内容。读完这本书，可以使读者在超短脉冲传输、超短脉冲本身具备的一些特性以及一些操控超短脉冲的手段和方法等方面有较好的了解，并对其在一些光学信息系统中的应用有所认识。本书作为较早出版的有关超短脉冲方面的外文书籍，可作为该领域的基础参考资料。虽然由于近来超快光学领域发展快速，书中有关进展的内容过时，但原理和理论的内容依旧可以为我们提供参考。3. Ultrafast Lasers: Technology and Applications主要内容第一部分：激光器系统a) 超快固体激光器b) 超快固体放大器c) 超快光纤振荡器d) 超短脉冲光纤放大器e) 超快单波长和多波长锁模半导体激光器：物理理论和应用第二部分：激光器的应用f) 工业和生物领域超快激光器应用的回顾g) 微加工h) 透明材料中超短脉冲引起的材料结构的变化i) 超快测试系统的快速扫描时间延迟j) 电光取样和场描绘k) THz波成像及其应用l) 相位控制的几周期光脉冲m) 超高速率通信系统n) 采用超短脉冲的非线性显微成像o) 光学相干层析p) 超快激光在眼科学中的应用简评：该书由两部分组成，第一部分描述了一些应用最为广泛的超快激光系统，第二部分讲述一些最广为人知的应用，涉及高能量超快激光放大器、固体激光器、光纤激光器和二极管激光器等激光光源等。该书主要介绍了在超快激光器技术方面的最新进展，对超快激光技术、超快激光的应用以及将来在各种科学和工业领域的发展趋势给予了广泛的介绍。本书首先介绍各种激光器的简单工作原理及目前进展，然后重点介绍其在各领域的应用，适合对超短脉冲激光领域有较深了解、具备较好基础的较高层次的科研人员作为参考资料。参考文献1Jean-Claude Diels，Ultrashort Laser Pulse Phenomena: Fundamentals, Techniques, and Applications on a Femtosecond Time Scale(Optics and Photonics series)， Academic Press Inc. 20062. M.S.Demokan，Mode-locking in Solid-State and Semiconductor Lasers， Chichester:Research Studies Press, 1982 3C.Rulliere ，Femtosecond Laser Pulses: Principles and Experiments， Springer, 20044Martin E.Fermann，Ultrafast Lasers， Marcel Dekker Inc. 20035Claude Rulliere，Femtosecond Laser Pulses Principles and Experiments， Springer, 2005附:Femtosecond Laser Pulses Principles and Experiments详细目录前言贡献者1. 激光基础C. Hirdimann 1.1 引言1.2 受激发射1.2.1 吸收1.2.2 自发发射1.2.3 受激发射1.3 经受激发射的光放大1.4 粒子数反转1.4.1 二能级系统1.4.2 光学泵浦1.4.3 光放大1.5 放大的自发发射（ASE）1.5.1 放大器退藕装置1.6 光学腔1.6.1 法布里珀罗干涉仪1.6.2 几何现象1.6.3 衍射光学现象1.6.4 双面镜腔的稳定性1.6.5 纵模1.7 激光器来了1.8 结论1.9 存在的问题进一步阅读历史参考2. 脉冲光学C. Hirdimann2.1 引言2.2 线性光学2.2.1 光2.2.2 光脉冲2.2.3 脉冲宽度和光谱宽度的关系2.2.4 透明媒质中光脉冲的传播2.3 非线性光学2.3.1 第二态磁化系数2.3.2 第三态磁化系数2.4 瀑流的非线性特性2.5 存在的问题进一步阅读参考3. 超短波激光脉冲产生的方法：锁模A. Ducasse，C. Ruddiere and B. Couiddaud 3.1 引言3.2 锁模运行的原理3.3 关于锁模的总则3.4 积极锁模方法3.5 无源的和混合的锁模方法3.6 半锁模参考4. 超短波光脉冲产生的更多方法C. Hirdimann4.1 引言4.1.1 时频傅立叶关系4.2 气体激光器4.2.1 锁模4.2.2 脉冲压缩4.3 染料激光器4.3.1 同步泵浦染料激光器4.3.2 无源锁模4.3.3 实短脉冲4.3.4 混合锁模4.3.5 波长调谐4.4 固态晶体激光器4.4.1 钕离子4.4.2 钛离子4.4.3 F中心4.4.4 孤波激光器4.5 无锁模的脉冲发生4.5.1 分布式反馈染料激光器（DFDL）4.5.2 移波激励4.5.3 时空选择4.5.4 末端腔4.6 新发展4.6.1 二极管泵浦激光器4.6.2 飞秒光纤激光器4.6.3 飞秒二极管激光器4.7 趋势参考5. 脉冲调制半导体激光器T. Amend and X.marie5.1 引言5.2 半导体激光器：工作原理5.2.1 半导体物理学的背景5.2.2 P-N结单质结激光器5.3 半导体激光装置5.3.1 双重异质结构激光器5.3.2 量子井激光器5.3.3 紧量子井激光器和竖腔表面发射激光器5.4 脉冲模式工作中的半导体激光器5.4.1 增益开关工作5.4.2 Q开关工作5.4.3 锁模工作5.4.4 通过增益调制的锁模5.4.5 经过损耗调制的锁模：由吸收饱和的无源锁模5.4.6 更远发展的探索参考6. 如何利用和改变激光脉冲的特性F. Sadin6.1 引言6.2 脉冲压缩6.3 放大6.4 波长量容6.4.1 二次和三次谐波的产生6.4.2 光学参量发生器（OPGs）和放大器（OPAs）6.5 结论6.6 存在的问题参考7. 如何测量激光脉冲的特性L. Sarger and J. Oberde7.1 引言7.2 能量测量法7.3 功率测量法7.4 脉冲瞬时外形的测量7.4.1 纯电子方法7.4.2 全光学方法7.5 光谱测量7.6 振幅相位测量法7.6.1 FROG 技术7.6.2 频率选通7.6.3 光谱干涉测量法和SPIDER参考8. 适合于样本动力学的分析的分光镜方法C. Ruddiere. T. Amand and X. Marie8.1 引言8.2 泵浦探测方法8.2.1 普遍原理8.2.2 紫外可见光谱区域中时间分辨的吸收8.2.3 红外线光谱区域中时间分辨的吸收8.2.4 诱导荧光的泵浦探测8.2.5 探测感应的拉曼散射8.2.6 相干的反斯托克斯拉曼散射（CARS）8.3 时间分辨的发射光谱学：电子方法8.3.1 宽带宽光子探测器8.3.2 等离子超高速扫描照相机8.3.3 单光子计数8.4 时间分辨的发射光谱学：光学方法8.4.1 克尔光栅8.4.2 上行变换方法8.5 依据激发相关性的时间分辨光谱学8.5.1 试验设置8.5.2 相干信号的解释8.5.3 应用实例8.6 瞬时光栅技术8.6.1 方法原理：退化的四波混频（DFWM）8.6.2 应用实例：t-Stilbene分子8.6.3 实验诀窍8.7 利用克尔效应的研究8.7.1 克尔“椭圆偏光法”8.8 实验室实证8.8.1 如何直接证明泵浦实验8.8.2 如何用眼睛观察CARS信号的产生8.8.3 如何容易的对示例建立克尔光栅9. 飞秒分光镜使用中的相干效