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。 / jG?PZ =m m/KaWrw/)  m+<&NDj. HwUaaK
第1章辐射理论概要与激光产生的条件 3iCe5VF D&G6^ME 1.1光的波粒二象性 Vu:ZG*^ CS7b3p!I 1.1.1光波 *;fTiL s bW+vc 1.1.2光子 r#sg5aS7O| ^ kKL i 1.2原子的能级和辐射跃迁 A2|Bbqd @d WA1tM 1.2.1原子能级和简并度 Uwc% '=@ )|~&(+Q?] 1.2.2原子状态的标记 ZcN0:xU ;6 G]~}>o 1.2.3玻尔兹曼分布 .xT?%xSi/ I-]G{ 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 hX.cdt_? uY]';Ot G 1.3光的受激辐射 \ p4*Q}t JW
D`} 1.3.1黑体热辐射 T
lXS}5^ %xk uW]xk 1.3.2光和物质的作用 U% h .l oGcgd$%ZB 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 ~7: q+\ + - < 8^y 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 ! db=Iz5) D!`[fjs6A 1.4光谱线增宽 q,P.)\0A 5U2%X
pO 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 LIDi0jbrq 'V&g"Pb 1.4.2自然增宽 K)'[^V X h Y=XDN: 1.4.3碰撞增宽
b] 5dBZ( lQIg0G/3 1.4.4多普勒增宽 7P$*qj~Vh o,i_py 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 F 'uqL+jVO gq('8*S 1.4.6综合增宽 XRPJPwes] JI@iT6.%IX 1.5激光形成的条件 i+`8$ uz C6 e5*S 1.5.1介质中光的受激辐射放大 02]HwsvZ 5RT# H0/+ 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 Xe4 !XTzsN 思考练习题1 Id?-Og2i V Y1 Ql_ 第2章激光器的工作原理 rCo}^M4Pb l"J#Pvi 2.1光学谐振腔结构与稳定性 nAQ[
-NbW,
]! ZZRe 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 {L$$"r, "-:H$ 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 }0&Fu?sP ndQw> 2.1.3稳定图的应用 3ML^ d Z' 9 "[,9HN 2.2速率方程组与粒子数反转 :a8Sy(" <SE-:T]sBz 2.2.1三能级系统和四能级系统 Ja1 `S+ 7^>~k}H 2.2.2速率方程组 >:.c?{%g* DlzL(p@r 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 K -'uE) >_Tyzl>z 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 |K. I%B Af\@J6viF7 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 5B%KiE&p f hg'4FO 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 oyiG04H& 6EY\ 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 7b~uU@L` X[/7vSqZ@w 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 ;Q t%>Uo8 \6AM?}v 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 h8 WM4
PK uB G!R#T 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 [#!Y7Ede $JOtUB{ 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 {JdX n $$ $[Vn_H< 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 dOaOWMrfdf |7 K>` 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 `j {q [VX 5r1-F 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 otaR A MHp:".1 2.5激光器的损耗与阈值条件 Lt~&K$t7~ JV,h1/a(" 2.5.1激光器的损耗 {*;K>%r\o 44 8%yP 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 |A68 +(3u |J@
&lBlq 2.5.3阈值条件 ) M8,Tv*~ a Y4v '[ 2.5.4对介质能级选取的讨论 ;0 | :.q j 0LZ )V 思考练习题2 k v_t6 (qd h143HXBi1+ 第3章激光器的输出特性 N*[b 26 O=LW[h! 3.1光学谐振腔的衍射理论 le_a IbB"P Z molL0y 3.1.1数学预备知识 K20Hh7cVJ o;DK]o>kH 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 w3VgGc~ X!{K`~DRX 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 "1\GU1x W9}
,f 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 $[Ut])4
~ r(>812^\ 3.2对称共焦腔内外的光场分布 *N: $,xf k&L/Jzz I 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 Aua}.Fl, fVZ9 2Xw
B 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 ?x 0gI
r# oJ ch= 3.3高斯光束的传播特性 h=6D=6c \ -Xtb m 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 t>a D;|Y ]H{* Z3S 3.3.2高斯光束的相位分布 "\vQVZd-E 0$b4\.0>~ 3.3.3高斯光束的远场发散角 E 6MeM'sx V60"j( 3.3.4高斯光束的高亮度 MtF^}/0w!` ,o0Kev z 3.4稳定球面腔的光束传播特性 0t(c84o5 LN.*gG l 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 C b|1Jtb o\><e1P 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 MSBrI3MqQ G$KQgUN~[ 3.5其他几种常用的激光光束 y$di_)&g 1he5Zevm} 3.5.1厄米-高斯光束 KiFTj$w, CAx
eJ`Q 3.5.2拉盖尔-高斯光束 gH ,Pz 0Ntvd7" `} 3.5.3贝塞尔光束 _O Jfd m<k 6oev$ 3.6激光器的输出功率 $;$vcV9* _ iDVd2X"H 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 9
!UNO yJ ]Va $M 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 >z/.8!#Q ]t& ^o ** 3.7激光器的线宽极限 ;ThFB z6;hFcO 3.8激光光束质量的品质因子M2 8sBT&A6&j Q}l~n)= 3.9模式激光的某些一阶统计性质 0s{7=Ef L^Q;M,.c; 3.9.1单模激光的一阶统计性质 a9 q:e K0B<9Wi | 3.9.2多模激光的一阶统计性质 p_]b=3wt~ oD9L5c) 思考练习题3 Y-st2r[, 5}w 第4章激光的基本技术 3` o OoKX 6ce-92n 4.1激光器输出的选模 ~b
X~_ \ \ o72VHG66 4.1.1激光单纵模的选取 mvTp,^1 b$D h|-8 4.1.2激光单横模的选取 f)a0 !U 44 wD$UShnm9- 4.2激光器的稳频 `jr?I {m; a]%s ks 4.2.1影响频率稳定的因素 ol L? 6)gC d: ^B2~j 4.2.2稳频方法概述 Z^'\()3t eV(9I v[ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 KU m?gFh goF87^M 4.2.4饱和吸收法稳频 34N~<-9AY E]m?R 4 4.3激光束的变换 QX<x2U ~LOE^6C+~o 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 )u=W?5%=} mW{> 4.3.2高斯光束的聚焦 T,>L 0WSZhzNyY 4.3.3高斯光束的准直 |S |'o*u S ++~w9} 4.3.4激光的扩束 :{lP9%J- \weg%a 4.4激光调制技术 v*dw' i b8Y dONdy 4.4.1激光调制的基本概念 ~7*2Jp' Q@NFfJJ 4.4.2电光强度调制 o59$v X, `JPkho 4.4.3电光相位调制 V?wV*]c 1 ^= QIX 4.5激光偏转技术 f38 e(Q];m |Nj6RB7 4.5.1机械偏转 Za3}:7`Gu k1zK3I&c_ 4.5.2电光偏转 2=0HQXXrq ~gMt
U 4.5.3声光偏转 gOW8 !\V vW vu&3tx 4.6激光调Q技术 {N/%%O.b |rZMcl/ 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q E0&d*BI2 3T
gX]J@ 4.6.2调Q原理 9`Fw}yAt ~ ) w4Tq 4.6.3电光调Q 8 p[n>qV9 S 593wfc 4.6.4声光调Q v}V[sIs} V(DY! f_% 4.6.5染料调Q 2xX:Q'\2 kV5)3%? 4.7激光锁模技术 p@4GI[ 4 Q 1?*+] 4.7.1锁模原理 9jEH "`qqk 2@GizT*mA 4.7.2主动锁模 N 1Ag . bP#!U'b" = 4.7.3被动锁模 Q! U} 7>F{.\ Z 思考练习题4 1hGj?L0m. X|eZpIA45 第5章典型激光器介绍 5h6o} 4m1r@
$ 5.1固体激光器 lNa+NtQu Ihf :k_; 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 ja';NIO- ow3.jHsLA 5.1.2固体激光器的泵浦系统 y5m2u8+
KbvMp1'9P 5.1.3固体激光器的输出特性 @CL#B98jl |.UY' B 5.1.4新型固体激光器 ! +^'Ej)z /+SLq`'u) 5.2气体激光器 ~S\L(B ( =huV(TH U 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 + W*~=*h| `;; l {8 5.2.2二氧化碳激光器 Hn(1_I%zF wAprksZL# 5.2.3Ar＋离子激光器 `**{a/3 Z}dK6h5+' 5.3染料激光器 }\7UU?@ n ^Q$OzsEk 5.3.1染料激光器的激发机理 4Qf sxg 6,3o_"J ! 5.3.2染料激光器的泵浦 G!r)N0?_f f;zNNx<
; 5.3.3染料激光器的调谐 "}fweCBgo tZ9i/ =S 5.4半导体激光器 "/i$_vl UGhEaKH~R 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 67&
hXIp 0^-1d2Z~ 5.4.2PN结和粒子数反转 chE!,gik Kg$RT?q-C6 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 6& eXQl /;Tc] 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 ;X,u &P|[YP37_ 5.5其他激光器 E
s5: S# xZ9:9/Vg 5.5.1准分子激光器 'cXdc @ivd|*?k0 5.5.2自由电子激光器 \% =\4%: `NsjtT'_ 5.5.3化学激光器 D%YgS$p[M$ &&X,1/ 思考练习题5 !SQcV' s 3Vb2C* 第6章激光在精密测量中的应用 '+cI W(F? { :t O
R F 6.1激光干涉测长 ^[tE^(|T KT(Z
#$ 6.1.1干涉测长的基本原理 \ j >7x e{P v:jl 6.1.2激光干涉测长系统的组成 W D[eoi c[d zO .~ 6.1.3激光外差干涉测长技术 /9w>:i81 I9*cEZ!l=e 6.1.4激光干涉测长应用举例 d!y*z = ^nb+}Nz( 6.2激光衍射测量 +J X;T(T M<fhQJ 6.2.1激光衍射测量原理 H$(b Sw$ \n) ',4mY 6.2.2激光衍射测量的方法 QOF@Dv Q
jmM|on! 6.2.3激光衍射测量的应用 i<m(neX[H k&]nF,f 6.3激光测距 N6 U d(8* KQdIG9O+6 6.3.1激光脉冲测距 V)`2 Kw ~?Q sr 6.3.2激光相位测距 xAQtX=FoX+ IU%|K~_n 6.4激光准直及多自由度测量 %a; #]d QU|_
r2LM 6.4.1激光准直仪 yGZsNd {a& XIHN6aQ{X 6.4.2激光衍射准直仪 }{o ! [. 5m}V 6.4.3激光多自由度测量 6[> lzEZ u epyH 6.5激光多普勒测速 ff"wg\O4 IS bs l =F 6.5.1运动微粒散射光的频率 _kj]vbG^ ; >H2`4]4] 6.5.2差频法测速 RLB3 -=9t RK>Pe3< 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 {4 O f. {meX2Z4 6.6环形激光测量角度和角加速度 0B
NLTRv NO"PO
@&Wk 6.6.1环形激光精密测角 wl
Oe oi a|aVc'j 6.6.2光纤陀螺 ~4S$+* '8 K2x[ApS# 6.7激光环境计量 C| (A/b I2ek `t] 6.8激光散射板干涉仪 o`?rj!\ S&o p|Z)1 思考练习题6 l\HdB"nT _"DS?`z6 第7章激光加工技术 I5$P9UE+^9 Nk `UQ~g$ 7.1激光热加工原理 %\As pm&TH d 7.2激光表面改性技术 lo1Ui`V }{a Gh I~< 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 h~MV =7
lE ${+u-Wfau 7.2.2激光表面熔凝技术 J~Xv R US6_ 5>/ 7.2.3激光熔覆技术 )s2] -n}W ^E
!v D 7.3激光去除材料技术 ]Z JoC!u P:q mg"i@3 7.3.1激光打孔 6 K $mW YdY-Jg Xm 7.3.2激光切割 )Nv1_ en<! Qy,^'fSN 7.4激光焊接 ));#oQol9 x%P|T3Qy5 7.4.1激光热导焊 TBhM^\z Tt[zSlIMx 7.4.2激光深熔焊 h$>F}n
j )^h6'h` 7.4.3激光复合焊 _B4&Fb. T :|/ux3 7.5激光快速成型技术 .b :!qUE^ 7\u+%i;YZ 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 SGd]o"VF d1/emwH 7.5.2激光快速成型技术 q^@* {H H^_,e= j 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 &4'< { jXcJ/g(X3 7.6其他激光加工技术 bRC243]g*A CU$kh z" 7.6.1激光清洗技术 -DDA b(2* & {iC:zp 7.6.2激光弯曲 \?:L>-&h8 ]wQ!ZG?)
思考练习题7 Pg4&}bX:I +b jy#= 第8章激光在医学中的应用 fS]& ?$q Ur j*V0^ 8.1激光与生物体的相互作用 x^eu[olN f49kf** 8.1.1生物体的 光学特性 fJ,N.O+9E N&8TG 8.1.2激光对生物体的作用 h#rP]o@ .@dC]$2= 8.1.3激光对生物体应用的优点 !`ol&QQ# ! \] ^c 8.2激光在临床治疗中的应用 WlL(NrVA@@ ` s}* 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 (su,= Z y48]|%73 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 L
aTcBcI c0Ug5Vr 8.2.3激光在眼科中的应用 owVvbC2<b( \j)Evjw 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 J )1 :,BAw , 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 D6SUzI1+H CB7dr&> 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 3WV( Ok | %_C$s% 8.2.7光动力学治疗 nx9PNl@?V \BOoY# !a 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 n
`j._G
;w{<1NH2+. 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 I?KN7(9u? %lK w+D 8.3.2激光断层摄影 GR,2^]<{ -15e 8.3.3激光显微镜 \u=d`} E {sTf4S\S 8.4医用激光设备 ,CE/o7.FG MB}nn&u# 8.4.1医用激光 光源 LPs%^*8(2 J,a&"eO Z 8.4.2医用激光传播用 光纤 $0* sj XV WR+j?Fcf 8.5激光应用于医学的未来 u09Tlqh0 3 6#w>6g4V~R 8.5.1医用激光新技术 zcpL[@B , 3R=8 8.5.2光动力学治疗的前景 X<ex
>sM 2j\_sv w' 思考练习题8 !E7gI qo w,~*ead 第9章激光在信息技术中的应用 ,f03TBD} o'Bd. B 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 W 4 { T< ci,( ]T +! 9.1.1半导体激光器 h y rPu_
+in )(a. 9.1.2光纤激光器 t@KTiJI
] opX07~1 9.1.3光放大器 ITPE2x o.s'0xP] 9.2激光全息三维显示 :J;U~emq Gz`Jzh
j 9.2.1全息术的历史回顾 ;R$G.5h K'OG-fn;
9.2.2激光全息术的基本原理和分类 =D zrM% X[z;P!U 9.2.3白光再现的全息三维显示 N$=YL
@m8 P0N/bp2Uy 9.2.4计算全息图 f/\!=sa: 8X;?fjl`" 9.2.5数字全息术 lM-\: Q! xvGY d,dlK 9.2.6全息三维显示的优点 (>`_N%_ \Z*:l( 9.2.7全息三维显示的应用 Ff< cY%t 3G// _f 9.2.8全息三维显示技术的展望 %<i sdvF U$:^^Z t`B 9.3激光存储技术 %Z;RY5 1N/4 W6 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 C&O8fNB_ %Tp9G Gt 9.3.2激光光盘存储 v]JET9hY 6/!:vsa"3 9.3.3激光体全息光存储 #y\O+\4e ;Q ZG< 9.3.4激光存储技术的新进展 r*HSi.'21 ,~L*N*ML
9.4激光扫描和激光打印机 /fQcrd7h ~|u;z,\ 9.4.1激光扫描 W83d$4\d 4DIU7#GG 9.4.2激光打印机 HoBx0N9\2 Q} #4Qz~n 9.5量子光通信中的激光源 tbQY&TO1 GEPWb[Oa 9.5.1量子光通信 [_N1
.}e s$y_(oU,D 9.5.2量子态发生器及应用 sBlq)h;G?6 fWP]{z ` 思考练习题9 9G6)ja?W jLFaf# G] 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 VnuG^)S _0[z
xOI 10.1激光核聚变 1^IMoC7$# P, x" ![6 10.1.1受控核聚变 \Y, P Jq1oQu|rs 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 df{?E): IO7z }![V; 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 e {6wFN D(z#)o Dr 10.2激光冷却 :7@[=n WjB ml'^RY 10.3激光操纵微粒 erI&XI y^r'4zN' 10.3.1光捕获 j'*.=cwsp Tp ;W 10.3.2微粒操纵 ~U+<JC Z ErN[maix# 10.4超越经典衍射极限的分辨率 5REH`- Eq@sU ?j 10.4.1解析延拓 ~ESw* 6s9 U["<f`z4\ 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 iBWzxPv:z s=$xnc}mf 10.4.3傅里叶叠层算法 E[hSL#0 fe\'N4 10.4.4相干谱复用 I
N@ ~~ \,v^ v]| 10.4.5非相干结构光 照明成像 mAH7; u< `LH 9@Z{ 10.4.6超分辨荧光显微镜 %X\J %Fj Qc33C A 10.5激光光谱学 M5[#YG'FlQ lf\"6VIsR 10.5.1拉曼光谱 ks$5$,^T2o Cpzd k~+H 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 Z4 z| B& 6oKlr,. 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 4FneP i~i lBn<\Y!^ 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 ]V f p,"op 2w8YtM3+"z 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 oe6Ex 5h w2$ L;q 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 r:xg#&"* @"cnPLh& 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 1`II%mf[ 8<Nz34Y 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 C&q}&=3r M|y!,/' 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 B'N vl# Yy!G?>hC 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 qPN 6o#J 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 qoan<z7 IL Nghtm- 思考练习题10 KW0KXO06a Wb FCj0 附录A随机变量 v&sp;%I6 = 9~,!+# A.1概率的定义和随机变量 YC{7;=P f C _W ]3 A.2分布函数和密度函数 bz&9]% S< ,g P;XRe1 A.3推广到两个或多个联合随机变量 aF=;v* WUDXx % A.4统计平均 5W{|? l{ 1 ^Q!EV 附录B随机过程 TR?jT
U J( ~xU0gd' B.1随机过程的定义和描述 B^1jd!m 8Z@O%\1x6 B.2平稳性和遍历性 Rlr[uU_ 3,+Us B% 参考文献 +SRM?av Mi!ak  s x9[#6~{Y -r_ Pp} s （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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