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目次
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《超快激光光譜原理與技術基礎》較系統地介紹了超快光譜研究所涉及的理論基礎和實驗技能。《超快激光光譜原理與技術基礎》共16章，主要內容包括：時間分辨光譜的歷史和進展，分子光譜學基礎，飛秒激光技術，非線性光譜學基礎、原理及其應用，二維光譜實驗及應用，飛秒瞬態吸收光譜技術及數據分析方法，熒光偏振及各向異性原理，超快熒光測量技術，飛秒激光脈沖性質表徵方法，脈衝升溫-納秒時間分辨中紅外瞬態吸收光譜，激光光譜實驗中噪聲與微弱信號測量以及計算機接口技術。
作者簡介
翁羽翔，中國科學院物理研究所研究員，國家傑出青年基金獲得者。長期從事超快時間分辨激光光譜的研究工作，主持建立納秒時間分辨瞬態可見光光譜測量系統、建成了國際先進水平的飛秒時間分辨瞬態吸收光譜儀，並研製成功飛秒光參量放大器。特別在時間分辨中紅外激光光譜，立足國內的自主知識產權技術，建立了能夠測定半導體晶格內及束縛態載流子的馳豫動力學的探測設備。
目次
第1章 時間分辨光譜技術導論
1.1 時間分辨光譜概述
1.1.1 時間分辨簡介
1.1.2 飛秒化學
1.2 量子波包
1.2.1 量子力學波包
1.2.2 裡德堡（Rydberg）態波包
1.2.3 波包再現結構
1.2.4 波包的製備與激發光脈寬
1.2.5 波包的產生
1.2.6 波包運動的實驗測量方法
1.2.7 波包測量實例分析
1.3 密度矩陣表示
1.3.1 相干態的密度矩陣表示
1.3.2 密度算符與密度矩陣
1.3.3 純態和混合態
1.3.4 混合態的密度矩陣
1.4 飛秒光相干振動激發的唯象處理
1.5 低頻振動相干態衝擊受激拉曼散射實驗測量及理論分析
1.5.1 相干態衝擊受激拉曼散射泵浦-探測實驗測量
1.5.2 相干態衝擊受激拉曼散射實驗結果的理論分析
參考文獻
第2章 分子光譜學基礎
2.1 光譜的量子本性
2.1.1 一維諧振子的波函數
2.1.2 角動量的量子化特徵
2.2 軌道與電子態
2.2.1 原子軌道與電子態
2.2.2 分子軌道與電子組態
2.3 分子對稱性與分子點群
2.4 電子躍遷與光譜
2.4.1 分子的光吸收
2.4.2 躍遷矩
2.5 光譜躍遷選擇定則
2.5.1 原子的電子躍遷選擇定則
2.5.2 分子的電子態躍遷選擇定則
2.5.3 電子態躍遷中的振動躍遷選擇定則
2.5.4 純振動、轉動躍遷選擇定則
2.6 激發態性質
2.6.1 激發態表示方法
2.6.2 激發態壽命
2.6.3 激發態能量
2.6.4 溶劑效應
2.6.5 無輻射躍遷過程
2.6.6 激發態反應的Kasha規則
參考文獻
第3章 飛秒激光技術
3.1 飛秒脈衝激光器的發展
3.2 克爾透鏡鎖模摻鈦藍寶石飛秒激光振盪器
3.2.1 摻鈦藍寶石晶體的性質
3.2.2 克爾透鏡鎖模原理
3.2.3 鈦寶石激光器諧振腔
3.2.4 激光器鎖模運轉特性
3.2.5 色散與色散補償
3.3 啁啾脈衝放大器
3.3.1 展寬器與壓縮器
3.3.2 啁啾脈衝放大器工作原理與結構
3.3.3 啁啾脈衝放大器實例介紹
3.4 非線性光學頻率變換
3.4.1 近紅外波段共線光參量放大
3.4.2 可見光波段非共線光參量放大
3.4.3 如何獲得紫外、中紅外波段的飛秒脈衝
3.4.4 頻率變換裝置實例介紹
參考文獻
第4章 非線性光譜學基礎
4.1 密度算符
4.1.1 純態的密度算符
4.1.2 密度算符的時間演化
4.1.3 統計平均的密度算符
4.1.4 二能級系統密度矩陣的時間演化：無微擾情形
4.1.5 Liouville表示下的密度算符
4.1.6 退位相
4.1.7 各種表示的層級結構
4.1.8 二能級系統密度矩陣的時間演化：光學Bloch方程
4.2 微擾展開
4.2.1 動機：非微擾展開的局限
4.2.2 時間演化算符
4.2.3 相互作用表像
4.2.4 備註：Heisenberg表像
4.2.5 波函數的微擾展開
4.2.6 密度矩陣的微擾展開
4.2.7 非線性光學簡介
4.2.8 非線性極化強度
4.3 雙邊Feynman圖
4.3.1 Liouville路徑
4.3.2 時序和准衝擊極限
4.3.3 旋轉波近似
4.3.4 相位匹配
參考文獻
第5章 非線性光譜學原理及其應用
5.1 非線性光譜學
5.1.1 線性光譜學
5.1.2 三能級系統的泵浦-探測光譜學
5.1.3 量子拍光譜學
5.1.4 雙脈衝光子回波光譜學
5.2 退相位的微觀理論：光譜線型的Kubo隨機理論
5.2.1 線性響應
5.2.2 非線性響應
5.2.3 三脈衝光子回波光譜學
5.3 退位相的微觀理論：Brown振子模型
5.3.1 含時哈密頓量的時間演化算符
5.3.2 Brown振子模型
5.4 二維光譜儀：三階響應函數的直接測量
5.4.1 單躍遷的二維光譜
5.4.2 一組耦合振子的二維紅外光譜
5.4.3 弱耦合振動態的激子模型
參考文獻
第6章 二維紅外光譜
6.1 簡介
6.1.1 二維紅外光譜定義
6.1.2 二維紅外光譜的用途
6.2 二維紅外光譜原理
6.3 二維紅外光譜實驗
6.3.1 飛秒紅外激光光源
6.3.2 二維紅外光譜儀
6.3.3 二維紅外光譜圖
6.4 二維紅外光譜的應用
6.4.1 快速動態變化
6.4.2 分子結構
6.4.3 分子間相互作用
6.5 展望
參考文獻
第7章 二維電子態相干光譜原理、實驗及理論模擬
7.1 二維光譜原理
7.2 二維可見光譜實驗裝置
7.3 數據采集及計算
7.4 理論
7.5 實驗結果與討論
7.5.1 實驗
7.5.2 理論模擬
7.6 二維電子光譜應用舉例
附：三能級系統的三階響應函數
參考文獻
第8章 二維飛秒時間分辨光譜概論
8.1 背景介紹
8.2 一維傅裡葉變換譜
8.3 自由感應衰減
8.4 非線性響應
8.5 信號輻射和傳播
8.6 密度矩陣方法及雙邊費曼圖
8.7 二維傅裡葉變換譜
參考文獻
第9章 飛秒瞬態吸收光譜及常規光路調節技術
9.1 簡介
9.2 實驗光路
9.3 數據采集與計算
9.3.1 瞬態光譜動力學
9.3.2 數據采集
9.3.3 採集程序
9.4 超快實驗光路調節技巧
9.4.1 雙鏡法調節光路
9.4.2 光程設定
9.4.3 延遲線
9.4.4 重合的調節
9.4.5 光楔的使用
9.4.6 偏振調節
9.4.7 翻轉鏡的使用
9.5 超連續白光
9.5.1 白光產生簡介
9.5.2 白光產生條件
9.5.3 白光的色散與色差
9.6 實驗檢錯
9.7 其他測量方法
9.7.1 鎖相放大器
9.7.2 門積分平均器
9.7.3 電荷耦合器件
參考文獻
第10章 奇異值分解及全域擬合數據處理方法
10.1 方法簡介
10.2 數據矩陣的準備
10.3 奇異值分解的計算
10.4 組分的選擇方法
10.5 物理模型的建立
10.6 全域擬合
參考文獻
第11章 熒光的偏振性與熒光發射的各向異性
11.1 熒光偏振狀態的表徵（偏振比和發射各向異性）
11.1.1 線性偏振光激發
11.1.2 自然光激發
11.2 瞬時和穩態各向異性
11.2.1 瞬時各向異性
11.2.2 穩態各向異性
11.3 各向異性的加和法則
11.4 發射各向異性與發射躍遷矩角分佈之間的關係
11.5 分子固定不動取向隨機分佈的情形
11.5.1 吸收躍遷矩和發射躍遷矩相互平行的情形
11.5.2 吸收躍遷矩和發射躍遷矩非平行的情形
11.6 轉動布朗運動效應
11.6.1 自由轉動
11.6.2 受阻轉動
11.7 應用
參考文獻
第12章 超快熒光測量技術
12.1 超快熒光測量技術簡介
12.2 熒光上轉換技術
12.2.1 相位匹配
12.2.2 光譜帶寬與群速失配
12.2.3 熒光上轉換實驗
12.3 光克爾門技術
12.3.1 光克爾熒光技術原理
12.3.2 光克爾熒光技術實驗
12.4 熒光非共線光參量放大技術
12.4.1 光參量放大基本原理
12.4.2 熒光光參量放大系統的基本構成
12.4.3 數據采集系統
12.4.4 熒光收集系統
12.5 熒光放大光譜的失真與矯正
12.5.1 影響光譜增益的因素
12.5.2 理論與實驗的對比
12.5.3 光譜失真的解決方法
參考文獻
第13章 飛秒激光脈沖性質表徵方法
13.1 飛秒激光脈沖
13.1.1 激光脈沖的數學表示
13.1.2 脈衝波形與脈衝寬度
13.1.3 色散、啁啾及其對脈衝寬度的影響
13.1.4 載波位相
13.1.5 相速和群速
13.1.6 波前及波前傾斜
13.2 激光脈沖脈寬測量方法
13.2.1 自相關方法
13.2.2 頻率分辨光學開關方法
13.2.3 光譜位相相干電場重建方法
13.3 脈衝激光載波位相及波前傾斜測量
13.3.1 光譜干涉儀及載波位相的測量
13.3.2 波前傾斜測量
13.3.3 非共線光參量放大的相速、群速匹配條件
參考文獻
第14章 脈衝升溫-納秒時間分辨中紅外瞬態吸收光譜
14.1 引言
14.2 溶劑水（重水）的脈衝升溫
14.3 納秒脈衝升溫典型激光光源介紹
14.3.1 高壓氣體拉曼頻移池
14.3.2 Ho：YAG脈衝激光器
14.4 紅外探測光源
14.4.1 一氧化碳激光器
14.4.2 紅外單色儀定標
14.5 信號探測及數據采集系統
14.6 數據采集系統的改進
14.7 溫度定標
14.8 紅外實驗蛋白樣品處理方法
14.9 脈衝升溫-時間分辨中紅外瞬態吸收光譜應用實例
14.9.1 細胞色素C熱穩定性研究
14.9.2 二硫鍵異構酶（DsbC）生物學異常活性研究
參考文獻
第15章 噪聲與微弱信號測量
15.1 信噪比
15.2 噪聲的種類、來源以及相應的減噪措施
15.3 隨機噪聲
15.3.1 隨機噪聲的正態分佈
15.3.2 典型隨機噪聲的頻譜特性
15.3.3 噪聲的時域特性：脈衝噪聲、起伏噪聲
15.3.4 等效噪聲帶寬
15.4 電子儀器的固有噪聲
15.4.1 熱噪聲
15.4.2 溫漂的影響
15.4.3 散粒噪聲
15.4.4 接觸噪聲
15.4.5 放大器級聯時的噪聲
15.5 外部干擾噪聲及其抑制
15.5.1 外部干擾的途徑
15.5.2 傳導干擾的抑制
15.5.3 公共阻抗耦合干擾的抑制
15.5.4 空間耦合干擾的抑制
15.6 相敏檢測技術
15.7 納秒量級時間分辨實驗中電磁干擾屏蔽舉例
參考文獻
第16章 接口及計算機控制簡介
16.1 常用儀器通信接口
16.1.1 串行接口
16.1.2 並行接口
16.1.3 GPIB/IEEE488接口
16.1.4 Ethernet接口
16.1.5 USB接口
16.2 常用儀器控制編程軟件
16.2.1 Visual C
16.2.2 Visual Basic
16.2.3 LabVIEW
16.3 常用接口編程示例
16.3.1 Visual Basic串口編程
16.3.2 Visual Basic並口編程
16.3.3 LabVIEW串口編程
16.3.4 LabVIEW GPIB編程
參考文獻
1.1 時間分辨光譜概述
1.1.1 時間分辨簡介
1.1.2 飛秒化學
1.2 量子波包
1.2.1 量子力學波包
1.2.2 裡德堡（Rydberg）態波包
1.2.3 波包再現結構
1.2.4 波包的製備與激發光脈寬
1.2.5 波包的產生
1.2.6 波包運動的實驗測量方法
1.2.7 波包測量實例分析
1.3 密度矩陣表示
1.3.1 相干態的密度矩陣表示
1.3.2 密度算符與密度矩陣
1.3.3 純態和混合態
1.3.4 混合態的密度矩陣
1.4 飛秒光相干振動激發的唯象處理
1.5 低頻振動相干態衝擊受激拉曼散射實驗測量及理論分析
1.5.1 相干態衝擊受激拉曼散射泵浦-探測實驗測量
1.5.2 相干態衝擊受激拉曼散射實驗結果的理論分析
參考文獻
第2章 分子光譜學基礎
2.1 光譜的量子本性
2.1.1 一維諧振子的波函數
2.1.2 角動量的量子化特徵
2.2 軌道與電子態
2.2.1 原子軌道與電子態
2.2.2 分子軌道與電子組態
2.3 分子對稱性與分子點群
2.4 電子躍遷與光譜
2.4.1 分子的光吸收
2.4.2 躍遷矩
2.5 光譜躍遷選擇定則
2.5.1 原子的電子躍遷選擇定則
2.5.2 分子的電子態躍遷選擇定則
2.5.3 電子態躍遷中的振動躍遷選擇定則
2.5.4 純振動、轉動躍遷選擇定則
2.6 激發態性質
2.6.1 激發態表示方法
2.6.2 激發態壽命
2.6.3 激發態能量
2.6.4 溶劑效應
2.6.5 無輻射躍遷過程
2.6.6 激發態反應的Kasha規則
參考文獻
第3章 飛秒激光技術
3.1 飛秒脈衝激光器的發展
3.2 克爾透鏡鎖模摻鈦藍寶石飛秒激光振盪器
3.2.1 摻鈦藍寶石晶體的性質
3.2.2 克爾透鏡鎖模原理
3.2.3 鈦寶石激光器諧振腔
3.2.4 激光器鎖模運轉特性
3.2.5 色散與色散補償
3.3 啁啾脈衝放大器
3.3.1 展寬器與壓縮器
3.3.2 啁啾脈衝放大器工作原理與結構
3.3.3 啁啾脈衝放大器實例介紹
3.4 非線性光學頻率變換
3.4.1 近紅外波段共線光參量放大
3.4.2 可見光波段非共線光參量放大
3.4.3 如何獲得紫外、中紅外波段的飛秒脈衝
3.4.4 頻率變換裝置實例介紹
參考文獻
第4章 非線性光譜學基礎
4.1 密度算符
4.1.1 純態的密度算符
4.1.2 密度算符的時間演化
4.1.3 統計平均的密度算符
4.1.4 二能級系統密度矩陣的時間演化：無微擾情形
4.1.5 Liouville表示下的密度算符
4.1.6 退位相
4.1.7 各種表示的層級結構
4.1.8 二能級系統密度矩陣的時間演化：光學Bloch方程
4.2 微擾展開
4.2.1 動機：非微擾展開的局限
4.2.2 時間演化算符
4.2.3 相互作用表像
4.2.4 備註：Heisenberg表像
4.2.5 波函數的微擾展開
4.2.6 密度矩陣的微擾展開
4.2.7 非線性光學簡介
4.2.8 非線性極化強度
4.3 雙邊Feynman圖
4.3.1 Liouville路徑
4.3.2 時序和准衝擊極限
4.3.3 旋轉波近似
4.3.4 相位匹配
參考文獻
第5章 非線性光譜學原理及其應用
5.1 非線性光譜學
5.1.1 線性光譜學
5.1.2 三能級系統的泵浦-探測光譜學
5.1.3 量子拍光譜學
5.1.4 雙脈衝光子回波光譜學
5.2 退相位的微觀理論：光譜線型的Kubo隨機理論
5.2.1 線性響應
5.2.2 非線性響應
5.2.3 三脈衝光子回波光譜學
5.3 退位相的微觀理論：Brown振子模型
5.3.1 含時哈密頓量的時間演化算符
5.3.2 Brown振子模型
5.4 二維光譜儀：三階響應函數的直接測量
5.4.1 單躍遷的二維光譜
5.4.2 一組耦合振子的二維紅外光譜
5.4.3 弱耦合振動態的激子模型
參考文獻
第6章 二維紅外光譜
6.1 簡介
6.1.1 二維紅外光譜定義
6.1.2 二維紅外光譜的用途
6.2 二維紅外光譜原理
6.3 二維紅外光譜實驗
6.3.1 飛秒紅外激光光源
6.3.2 二維紅外光譜儀
6.3.3 二維紅外光譜圖
6.4 二維紅外光譜的應用
6.4.1 快速動態變化
6.4.2 分子結構
6.4.3 分子間相互作用
6.5 展望
參考文獻
第7章 二維電子態相干光譜原理、實驗及理論模擬
7.1 二維光譜原理
7.2 二維可見光譜實驗裝置
7.3 數據采集及計算
7.4 理論
7.5 實驗結果與討論
7.5.1 實驗
7.5.2 理論模擬
7.6 二維電子光譜應用舉例
附：三能級系統的三階響應函數
參考文獻
第8章 二維飛秒時間分辨光譜概論
8.1 背景介紹
8.2 一維傅裡葉變換譜
8.3 自由感應衰減
8.4 非線性響應
8.5 信號輻射和傳播
8.6 密度矩陣方法及雙邊費曼圖
8.7 二維傅裡葉變換譜
參考文獻
第9章 飛秒瞬態吸收光譜及常規光路調節技術
9.1 簡介
9.2 實驗光路
9.3 數據采集與計算
9.3.1 瞬態光譜動力學
9.3.2 數據采集
9.3.3 採集程序
9.4 超快實驗光路調節技巧
9.4.1 雙鏡法調節光路
9.4.2 光程設定
9.4.3 延遲線
9.4.4 重合的調節
9.4.5 光楔的使用
9.4.6 偏振調節
9.4.7 翻轉鏡的使用
9.5 超連續白光
9.5.1 白光產生簡介
9.5.2 白光產生條件
9.5.3 白光的色散與色差
9.6 實驗檢錯
9.7 其他測量方法
9.7.1 鎖相放大器
9.7.2 門積分平均器
9.7.3 電荷耦合器件
參考文獻
第10章 奇異值分解及全域擬合數據處理方法
10.1 方法簡介
10.2 數據矩陣的準備
10.3 奇異值分解的計算
10.4 組分的選擇方法
10.5 物理模型的建立
10.6 全域擬合
參考文獻
第11章 熒光的偏振性與熒光發射的各向異性
11.1 熒光偏振狀態的表徵（偏振比和發射各向異性）
11.1.1 線性偏振光激發
11.1.2 自然光激發
11.2 瞬時和穩態各向異性
11.2.1 瞬時各向異性
11.2.2 穩態各向異性
11.3 各向異性的加和法則
11.4 發射各向異性與發射躍遷矩角分佈之間的關係
11.5 分子固定不動取向隨機分佈的情形
11.5.1 吸收躍遷矩和發射躍遷矩相互平行的情形
11.5.2 吸收躍遷矩和發射躍遷矩非平行的情形
11.6 轉動布朗運動效應
11.6.1 自由轉動
11.6.2 受阻轉動
11.7 應用
參考文獻
第12章 超快熒光測量技術
12.1 超快熒光測量技術簡介
12.2 熒光上轉換技術
12.2.1 相位匹配
12.2.2 光譜帶寬與群速失配
12.2.3 熒光上轉換實驗
12.3 光克爾門技術
12.3.1 光克爾熒光技術原理
12.3.2 光克爾熒光技術實驗
12.4 熒光非共線光參量放大技術
12.4.1 光參量放大基本原理
12.4.2 熒光光參量放大系統的基本構成
12.4.3 數據采集系統
12.4.4 熒光收集系統
12.5 熒光放大光譜的失真與矯正
12.5.1 影響光譜增益的因素
12.5.2 理論與實驗的對比
12.5.3 光譜失真的解決方法
參考文獻
第13章 飛秒激光脈沖性質表徵方法
13.1 飛秒激光脈沖
13.1.1 激光脈沖的數學表示
13.1.2 脈衝波形與脈衝寬度
13.1.3 色散、啁啾及其對脈衝寬度的影響
13.1.4 載波位相
13.1.5 相速和群速
13.1.6 波前及波前傾斜
13.2 激光脈沖脈寬測量方法
13.2.1 自相關方法
13.2.2 頻率分辨光學開關方法
13.2.3 光譜位相相干電場重建方法
13.3 脈衝激光載波位相及波前傾斜測量
13.3.1 光譜干涉儀及載波位相的測量
13.3.2 波前傾斜測量
13.3.3 非共線光參量放大的相速、群速匹配條件
參考文獻
第14章 脈衝升溫-納秒時間分辨中紅外瞬態吸收光譜
14.1 引言
14.2 溶劑水（重水）的脈衝升溫
14.3 納秒脈衝升溫典型激光光源介紹
14.3.1 高壓氣體拉曼頻移池
14.3.2 Ho：YAG脈衝激光器
14.4 紅外探測光源
14.4.1 一氧化碳激光器
14.4.2 紅外單色儀定標
14.5 信號探測及數據采集系統
14.6 數據采集系統的改進
14.7 溫度定標
14.8 紅外實驗蛋白樣品處理方法
14.9 脈衝升溫-時間分辨中紅外瞬態吸收光譜應用實例
14.9.1 細胞色素C熱穩定性研究
14.9.2 二硫鍵異構酶（DsbC）生物學異常活性研究
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第15章 噪聲與微弱信號測量
15.1 信噪比
15.2 噪聲的種類、來源以及相應的減噪措施
15.3 隨機噪聲
15.3.1 隨機噪聲的正態分佈
15.3.2 典型隨機噪聲的頻譜特性
15.3.3 噪聲的時域特性：脈衝噪聲、起伏噪聲
15.3.4 等效噪聲帶寬
15.4 電子儀器的固有噪聲
15.4.1 熱噪聲
15.4.2 溫漂的影響
15.4.3 散粒噪聲
15.4.4 接觸噪聲
15.4.5 放大器級聯時的噪聲
15.5 外部干擾噪聲及其抑制
15.5.1 外部干擾的途徑
15.5.2 傳導干擾的抑制
15.5.3 公共阻抗耦合干擾的抑制
15.5.4 空間耦合干擾的抑制
15.6 相敏檢測技術
15.7 納秒量級時間分辨實驗中電磁干擾屏蔽舉例
參考文獻
第16章 接口及計算機控制簡介
16.1 常用儀器通信接口
16.1.1 串行接口
16.1.2 並行接口
16.1.3 GPIB/IEEE488接口
16.1.4 Ethernet接口
16.1.5 USB接口
16.2 常用儀器控制編程軟件
16.2.1 Visual C
16.2.2 Visual Basic
16.2.3 LabVIEW
16.3 常用接口編程示例
16.3.1 Visual Basic串口編程
16.3.2 Visual Basic並口編程
16.3.3 LabVIEW串口編程
16.3.4 LabVIEW GPIB編程
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