激光原理及应用（第4版）
本书为普通高等教育"十一五”国家级规划教材。 本书从内容上分为两部分。第1～5章介绍 激光的基本理论，从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念，以及激光输出特性与 激光器的 参数之间的关系，尽量避免过多的理论计算，以掌握激光器的选择和使用为主要目的；第6～10章介绍激光在计量、加工、医学、信息技术，以及现代科技前沿问题中的应用，重点介绍各种应用的思路和方法。 {*nEKPq(_* zK /f$}  9g+UJ\u^ -}AE\qXs/ 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 oE PNN'~3 IKtiR8 1.1光的波粒二象性 _H/67dcz, e7hO;=?b' 1.1.1光波 u ,! 4vKx ->Q`'@'|P 1.1.2光子 S--/<a2 ,Os7T 1 > 1.2原子的能级和辐射跃迁 qU}lGf!dVn \&# p1K(H 1.2.1原子能级和简并度 dqL -' Sn+FV+ D 1.2.2原子状态的标记 #efqG=q @OBHA oz%/ 1.2.3玻尔兹曼分布 ?L8&(&1@VD nq),VPJi 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 D8q3TyCj% <8g *O2 1.3光的受激辐射 -??!@R7V |K'Gw}fX/ 1.3.1黑体热辐射 g"TPII$ .jLMl*6%: 1.3.2光和物质的作用 Zj:a-= QQ5 lW 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 x:=0.l# xI-=t ib 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 }g%KvYB_ 3"HGEUqA 1.4光谱线增宽 k,
$I59 *4r
s 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 v@F| O8t:s Fl8w7LcF7 1.4.2自然增宽 m OwWg E`A<]dAoK 1.4.3碰撞增宽 R-=_z 6< L$oia)%t- 1.4.4多普勒增宽 7Qm;g-)f KyuA5jQ7 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 % JgRcx </K%i;l 1.4.6综合增宽 e6tH/`Uln %s ~NQ;Y 1.5激光形成的条件 /%N31
))%@@l[ 1.5.1介质中光的受激辐射放大 x`};{oz; ccHLL6F{ 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 2P;%P]~H v_?s1+w 思考练习题1 Fw(b1 d>E $[HcHnf 第2章激光器的工作原理 Yio>ft&g] # i`A4D 2.1光学谐振腔结构与稳定性 _A@fP[C bLU^1S 8Z 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 &CB.*\0 w>`h3;,2 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 ~ LJ>WA I_"Hg x< 2.1.3稳定图的应用 el2*\(XT ~8KF<2c 2.2速率方程组与粒子数反转 4yJ*85e] Q1O_CC} 2.2.1三能级系统和四能级系统 Gvt;Q,hH
EI?d(K 2.2.2速率方程组 1Pw(.8P :Y}Y&mA4 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 Rye ~w6 rL!_&| 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 UX-_{I
QW [*Aqy76Qa 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 4Vb}i[</ F_p3:l 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 1_33;gP c&| '3i+ 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 xN{"%>Mx rm5T=fNJ 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 &viwo}ls 0 zA kc 67: 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 E1U 4v&P Tdk2436= 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 KG4#BY&^ =ELDJt 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 D^N#E>, Q}=W>|aE. 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 K c2OLz# V#-qKV 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 'Ec:l(2Ec N SxPN: 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 +s/N@]5n W
s>*Q 2.5激光器的损耗与阈值条件 Z3abem<Q ; $ ?jR
c 2.5.1激光器的损耗 7q2"b?|h iX>!ju'V 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 :cmI "Bo qUDz(bFk/ 2.5.3阈值条件 )D" G3g. *Sz{DE1U 2.5.4对介质能级选取的讨论 \AtwO xT=kxyu 思考练习题2 t6h`WAZV Tk v 第3章激光器的输出特性 Y|0-m#1F# ].<sAmL^ 3.1光学谐振腔的衍射理论 {!{7zM%u0C g ~^{-6Vg 3.1.1数学预备知识 avxn }*:X.
i_E#cU 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 Kt4\&l-De C)KtM YA, 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 TOPPa?=vk A9qO2kq7_ 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 4Mt qQq4% T956L'.+G 3.2对称共焦腔内外的光场分布 &x0TnW"g }N#>q.M 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 ]|$$:e^U9 CI~;B 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 {Y* ]Qc WKrZTPD'm 3.3高斯光束的传播特性 Nh\8+v*+{ ap'kxOf"1 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 9+is?Pj ?k:])^G5 3.3.2高斯光束的相位分布 "! 6 B5Oz ' MdE} 3.3.3高斯光束的远场发散角 }DUDA%U ad$Qs3)6o 3.3.4高斯光束的高亮度 $vGE Y7, 4h_4jqf=pU 3.4稳定球面腔的光束传播特性 :5cu, &<Gv 4gv XJK- 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 J2 rLsNC]0 BWi 7v 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 hPeKQwzC0 |nH0~P#! 3.5其他几种常用的激光光束 +|"n4iZ!) {!g.255+ 3.5.1厄米-高斯光束 9;v"b c Q h%w\O Z7 3.5.2拉盖尔-高斯光束 m a-Y' &9lc\Y4PY 3.5.3贝塞尔光束 hv:Z%D |S x"wM_hl5L 3.6激光器的输出功率 >3
.ep}, vBn=bb'W 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率
[aS)<^ =ci5&B? 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 vS t=Ax3] n p\Q& 3.7激光器的线宽极限 K<L%@[gi F",abp! 3.8激光光束质量的品质因子M2 '
bw , K* (Nlm4*{ h 3.9模式激光的某些一阶统计性质 PKM$*_LcGI ?a0}^:6 3.9.1单模激光的一阶统计性质 yzNX2u1 4%v+ark8 3.9.2多模激光的一阶统计性质 '=b&)HbeK a=B0ytNm 思考练习题3 Dw ;vDK 4e#K.HU_ 第4章激光的基本技术 WfbNar[ re7\nZ<\| 4.1激光器输出的选模 B*iz+"H 3N%Ev o 4.1.1激光单纵模的选取 5GFnfc} !BikF4Y1L& 4.1.2激光单横模的选取 .x$T a l O/^w!
:z' 4.2激光器的稳频 z%dlajY m: BG8)bh k;/ 4.2.1影响频率稳定的因素 ;)]zv\fC PZhZK
VZx 4.2.2稳频方法概述 +95dz?~ H$z+g bjJ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 3cFLU^ 5'-9?-S" 4.2.4饱和吸收法稳频 ; F(01 ?jm2|: 4.3激光束的变换 6:z&ukq E %y\7 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换
Y*}>tD; U(]5U^ 4.3.2高斯光束的聚焦 }Z? [Ut 446hr zW>@ 4.3.3高斯光束的准直 .F3LA6se :::f,aCAu 4.3.4激光的扩束 /"{ ,m! Odtck9L 4.4激光调制技术 ~S>ba'] #R PB;#{ 4.4.1激光调制的基本概念 *3
8Y;{ 4 GO3YXO33 4.4.2电光强度调制 "#k(V=y #*M$,ig 4.4.3电光相位调制 &&S4x wP1VQUL 4.5激光偏转技术 FH21m wV ;f^jB;\< 4.5.1机械偏转 S|4/C B @v H1T 4.5.2电光偏转 o5 x^ " # L Hz<=]?@ 4.5.3声光偏转 7 =*k@9 K$5P_~;QL 4.6激光调Q技术 ,T~5iLKY B[|/wHMsT} 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q ZDmk <}A-U BvR3Oi@Wc 4.6.2调Q原理 j77}{5@p (3r,PS@Qq@ 4.6.3电光调Q 7Ej#7\TB] F X2`p_ 4.6.4声光调Q B "zg85
e #7T ={mh 4.6.5染料调Q =~m"TQv h5keYBA 4.7激光锁模技术 8J1.(Mw b? \b SHBTK 4.7.1锁模原理 : {Z^ _;Tf *)D*iU& 4.7.2主动锁模 HZ=yfJs nc |?=1tS{iT 4.7.3被动锁模 Cjk AQ(9 ppP?1Il`kb 思考练习题4 Jz0S2& *{s[$}uQ 第5章典型激光器介绍 6l7a9IJ YDD]n*& 5.1固体激光器 HbDB?s< D} 3fx[ 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 Bys|i 0tb- 4344PBj 5.1.2固体激光器的泵浦系统 :+!b8[?Z )ix E 5.1.3固体激光器的输出特性 7~f6j :{|z ttVSgKAsm 5.1.4新型固体激光器 1dsxqN(: Ft !~w#&- 5.2气体激光器 4 ]KceE >E=a~ O 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 f BOG#-a} cfS ]C_6d 5.2.2二氧化碳激光器 X5[sw;rk }2 oJ 5.2.3Ar＋离子激光器 Bx >@HU i`L66uV 5.3染料激光器 V=~dgy ~@ >.4Sx~VH2 5.3.1染料激光器的激发机理 }3lF;k(2g I5?LD=tt 5.3.2染料激光器的泵浦 IA ` 5GkM7Zu!{j 5.3.3染料激光器的调谐 Cx~z^YP' Z9I./s9 5.4半导体激光器 Lp=B ? H @("AkYPj 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 xE_[ = 7= UxtZBNn8 5.4.2PN结和粒子数反转 yr'`~[oSCy sN VD"M, 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 XZGy h X7 U+
=q_ < 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 HfPeR8I%i H(s^le:! 5.5其他激光器 oR)7 \;g k$!&3Rh 5.5.1准分子激光器 qa0Zgn5 q ]3'd/v@fT 5.5.2自由电子激光器 \O~7X0 <W *p^MAk9= 5.5.3化学激光器 }=FQKqtC ?M2@[w8_ 思考练习题5 qFk(UazN 5hMiCod 第6章激光在精密测量中的应用 [&:oS35O CjG I }t 6.1激光干涉测长 +qec>ALAg x;Q2/YZ# 6.1.1干涉测长的基本原理 (k~c]N)v I< U 1V<g 6.1.2激光干涉测长系统的组成 / '&L M\ RI=B(0 A 6.1.3激光外差干涉测长技术 :JYOC+#q7 JV>OmUAk 6.1.4激光干涉测长应用举例 |IvX7% *]~ e dQ><lz 6.2激光衍射测量 I_rVeMw= 4dP_'0]9A: 6.2.1激光衍射测量原理 Jo@9f(hq XQA2uR4h 6.2.2激光衍射测量的方法 ",m5}mk:4 ghl9gFFj 6.2.3激光衍射测量的应用 LmE-&
sBwgl9 6.3激光测距 n j[6c D[mYr WHpn 6.3.1激光脉冲测距 m[f\I^ \%8 |Th{*IJ <, 6.3.2激光相位测距 g2I @j 3 EbQ} w"{ 6.4激光准直及多自由度测量 DH %X+r sMx \WTyz 6.4.1激光准直仪 JY,+eD !IS ,[ 6.4.2激光衍射准直仪 {`LV{ ! y~fy 0P:T 6.4.3激光多自由度测量 1tDN$rM5 vuf|2!kh/ 6.5激光多普勒测速 nL ? B >Vvc5 5z 6.5.1运动微粒散射光的频率 o>YR Kb ;#due 6.5.2差频法测速 0/Csc\Xl 0U<9=[~q7@ 6.5.3激光多普勒测速技术的应用
ulQE{c[ yWuq/J: 6.6环形激光测量角度和角加速度 iq#Z\ Y( gS%J`X$ 6.6.1环形激光精密测角 " O4Z).5q3 ;p/@t r9 6.6.2光纤陀螺 seq$] D+V^nCcx% 6.7激光环境计量 c1`o3gb F 2&KTK 6.8激光散射板干涉仪 }\W3a_,v) p82qF zq# 思考练习题6 iAN#TCwLT7 K"#}R<k8:A 第7章激光加工技术 D"MN lm Ah,Zm4: 7.1激光热加工原理 yVL~SH| ,Y* f] 7.2激光表面改性技术 Y9 WH% e\89;) 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 C}!|K0t? 7G/"!ePW6` 7.2.2激光表面熔凝技术 -+L1Hid.7 4&\m!s
7.2.3激光熔覆技术 TzOf&cs/r ( (y+FJH 7.3激光去除材料技术 'g#) )y dG| iA] 7.3.1激光打孔 "x{S3v4Rb5 Bpgl
U=Qr 7.3.2激光切割 0zd1:*KR, 7(jt:V6V 7.4激光焊接 cIgF]My*D@ ' o 5,P/6 7.4.1激光热导焊 .JzO f[g5 qRU8uu 7.4.2激光深熔焊 =$m|M
m[a | $D^LY 7.4.3激光复合焊 D@2Tx y]Y)?]) 7.5激光快速成型技术 i_MDLS>- S\C 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 Q/< $ (Y 9TF[uC)-2 7.5.2激光快速成型技术 1:,aFp>qr k8h$#@^ 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 }p#S;JZRu+ w,\Ua&>4 7.6其他激光加工技术 '\9A78NV{; a9"Gg}h\ 7.6.1激光清洗技术 bC&_O U: c!I>
_PD`& 7.6.2激光弯曲 W4Eo1 E _h5@3>b3r 思考练习题7 A bj`0\ ?vZ& CB 第8章激光在医学中的应用 7c+u+Yet %
$
5hC9 8.1激光与生物体的相互作用 sI~{it# 2qN6{+] 8.1.1生物体的 光学特性 yXDf;`J $
@^n3ZQ4 8.1.2激光对生物体的作用 3i7n"8\$ nOOA5Gz 8.1.3激光对生物体应用的优点 Qd@` jwjS s,0,w--= 8.2激光在临床治疗中的应用 w7O(I" LaLA }1!
8.2.1激光临床治疗的种类与现状 =6? 3c\ ~_R=2t{u _ 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 ecr pv+ Jei W
z1t 8.2.3激光在眼科中的应用
`/ #6k> ')go/y`YK 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 ,cpPXcz ?, L!5%;!>.P 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 65MR(+3 e`Yx]3;u( 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 6tP^_9njy c/pT2/y 8.2.7光动力学治疗 5 J 0 XO\P4x :c 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 -[ F< u YT#" HYO 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 Byon2| nf7 D telr=/s 8.3.2激光断层摄影 w(s"r p} RM,r0Kv17Y 8.3.3激光显微镜 3 bGpK9M~ sHKT]^7 8.4医用激光设备 A`IE8@&Z' t + Fm? 8.4.1医用激光 光源 RzNv| ~GMlnA]6 8.4.2医用激光传播用 光纤 > `u} G1T\ YwEXTy>0 8.5激光应用于医学的未来 <1V!-D4xu WFy90*@Z 8.5.1医用激光新技术 5^[V%4y> entO"~*EX 8.5.2光动力学治疗的前景 NfKi,^O _v<EFal 思考练习题8 "5]GEzM3O Z&YW9de@ 第9章激光在信息技术中的应用
4mUQVzV 7+=fD|Cl 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 <T <?7SE+ a+IU<O-J? 9.1.1半导体激光器 b=.Ikt+y u9QvcD^'z 9.1.2光纤激光器 b?qtT ce d+Pfi)+( I 9.1.3光放大器 ABB4(_3E r6QNs1f~. 9.2激光全息三维显示 ho;Km ?<
mSEgvu 9.2.1全息术的历史回顾 3\G&fb|?}R @~xNax&^ 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 ^HQg$}= mRFcZ.7 9.2.3白光再现的全息三维显示 1]m]b4] h )fi9 9.2.4计算全息图 {088j?[hzk d o C8! 9.2.5数字全息术 Mo0+"` MW6 d- 9.2.6全息三维显示的优点 SX$v&L < S~/zBFo- 9.2.7全息三维显示的应用 },e f( j[v<xo 9.2.8全息三维显示技术的展望 9# xcp/O sJ{NbN~`I 9.3激光存储技术 -!k"*P 8$BZbj%?hx 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 98x]x:mgI_ p{[Ol 9.3.2激光光盘存储 e >=P' ?n8gB7(FA 9.3.3激光体全息光存储 U8PS J0ny 4&2aJ_ 2 y 9.3.4激光存储技术的新进展 2r^| %c*azo. 9.4激光扫描和激光打印机 ;|5m;x/a ^Bf@ I 9.4.1激光扫描 F\ yxXOI " +'E 9.4.2激光打印机 |x3.r t
MD%_Z/NL 9.5量子光通信中的激光源 p'fU}B1 1D sgU6" 9.5.1量子光通信 G>qzA gA _pnJ/YE 9.5.2量子态发生器及应用 q["CT& 0 za ` 思考练习题9 `BG{\3> G'{$$+U^K 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 M}k t q) NjIe2)}' 10.1激光核聚变 &.,ZU\`zT ? 6P
P_QY 10.1.1受控核聚变 W2 e~!:w :UGc6 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 Pwn"!pk 7@NAk y( 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 -K9bC3H nw){ }g 10.2激光冷却 !/^i\)j>]( 2>Bx/QF@< 10.3激光操纵微粒 `j{q$Y=AG q{gt2OWqX 10.3.1光捕获 &=oW=g 2 ;cgc\xm> 10.3.2微粒操纵 [4KW64 %l g .ty#Z=: 10.4超越经典衍射极限的分辨率 -
|n\
"E =\Vz 10.4.1解析延拓 Bvj-LT=) r<,W{Va 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 484lB}H o7'
cC?u 10.4.3傅里叶叠层算法 [HGGXgN P #m/b< 10.4.4相干谱复用 &(UVS0=Dp, ]V \q X+K 10.4.5非相干结构光 照明成像 u4*7 n-( ">PpC]Y1 10.4.6超分辨荧光显微镜 Nn5 z JD rh-6Zgj 10.5激光光谱学 qfE>N?/ Xo]QV.n 10.5.1拉曼光谱 28J
; 9 <8nl}^d5 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 STmn%& {Bk9]:' $5 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 '~Uo+<v$w lX$6U| ! 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 +`4`OVE_# o7Ms]AblT 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 8q*MhH>6I d :j D 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 02OL-bv}HS $xqI3UaX 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 vcTWe$; Q <;}jf *A 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 Rd7[e^HSN h >V8YJ 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 tr3Rn :0] AW3\>WC 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 NfqJ> [}I+ {Wp+Y9c[ 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 /Qi;'h] oo sbf#V 思考练习题10 >Hb>wlYR 3~ITvH,`s 附录A随机变量 @*Sge LeL uJ ;7] A.1概率的定义和随机变量 ue8C pn^M S0?4}7`A A.2分布函数和密度函数 C%P)_)- -V &E|2-) A.3推广到两个或多个联合随机变量 Qx{k_ye`
vowU +Y A.4统计平均 <X9 T}g Z^? 1MJ:` 附录B随机过程 M , qX ,'[&" Eg B.1随机过程的定义和描述 pE.f} X :2%U B.2平稳性和遍历性 +7 6{S_CZ <s/n8#i=H 参考文献 P&PPX#% V/w:^@5+p  Q|40
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