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。 d]w%zo,yr V-T WC@Y"  .q9wyVi7GI OFcqouGE 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 D'3. T{*rH 9V( esveq 1.1光的波粒二象性 )90K^$93" Ug,23 1.1.1光波 %t<ba[9F A J"/T+g_ 1.1.2光子 B[nkE+s %H'*7u2 1.2原子的能级和辐射跃迁 (GI]Uyn f!aE/e \ 1.2.1原子能级和简并度 !E |k#c9 Seb J}P1x 1.2.2原子状态的标记 I`8jJpGA 26<Wg7/, 1.2.3玻尔兹曼分布 <tp#KZE q mM%MPv 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 S2 * ER 6`l7saHXE 1.3光的受激辐射 hCKx%&[^7 J=C63YB 1.3.1黑体热辐射 W:z!fh- e<[0H 8 1.3.2光和物质的作用 +Jv*u8T' DR w;.it2 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 jJD Y l( [ @"E{gM@B 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 {#'M3z= Lb}
c jI: 1.4光谱线增宽 81<0B @E :u$+lq 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 )Mj
$/ +)gXU Vwd 1.4.2自然增宽 ko% B` 3!V$fl0 1.4.3碰撞增宽 WgK |r~ 11Hf)]M
1.4.4多普勒增宽 P.;S6i
n @\UoZv( 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 \1p5$0z ;y{ VdT 1.4.6综合增宽 } &mFpc g}]EIv{ 1.5激光形成的条件 3]9twfF 'J _7M! b 9oA 1.5.1介质中光的受激辐射放大 ,LHQ@/}A C 2m?!!We q 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 b88Zk* S"z cSkF 思考练习题1 _\tGmME37 <.h\% & 'U 第2章激光器的工作原理 *KXg;777 Twj?SV 2.1光学谐振腔结构与稳定性 ;5.o;|w?! b:iZ.I 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 iWN-X
( XFg.Z+ # 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 joN}N }U VnJ-nf A 2.1.3稳定图的应用 |= frsf~? <9s=K\- 2.2速率方程组与粒子数反转 L#`9# Q s\`Vr;R:| 2.2.1三能级系统和四能级系统 4P>tGO&*x u%7a&1c 2.2.2速率方程组 2 8j=q-9Z Bn"r;pqWiT 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 WL AJqmC] 9 o7d3 ir) 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 Rro{A+[,X J\%<.S> 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 !7g
E 0)8 Q OTeT 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 x Qh ? G@) I 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 4pF U` g= @HfWA FT 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 I~R<}volu afEp4(X~ 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 n/"T7Y\2 r<oI4px 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 eh'mSf^=p ^g Fjm~2I 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 V=|^r? Ss u{Lj 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 %f;( &bJ98 Nxl 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 '3o0J\cz F_~-o,\ 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 LeW.uh3. &,Q{l$`X 2.5激光器的损耗与阈值条件 2t { Cpw {K'SOh H4? 2.5.1激光器的损耗 &1Fcwj N,ik&NIWy 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 S'-<p<;D\B uz 4mHyS6 2.5.3阈值条件 ?E2k]y6< LM'` U-/e$ 2.5.4对介质能级选取的讨论 }bznx[4?I ; _i0@@J 思考练习题2 s/[i>`g/9 V 8&/O)} o 第3章激光器的输出特性 K23_1-mbe Kc udWW] 3.1光学谐振腔的衍射理论 gE=~.P[ZX )C2d)(baEJ 3.1.1数学预备知识 `Ik}X w savz>E & 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 7IJb$af:; &SN$D5U' 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 /&j4I lT %,,h )9 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 na']{a 1K CES FkAj~ 3.2对称共焦腔内外的光场分布 s*CK FEb# #>'1oC{ 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 .%wEuqW=0 H5RHA^p| 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 z3*G(, P'9aZd 3.3高斯光束的传播特性 J#V `W&\,6 ] |`gTD6 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 &< Gq-IN h/TPd] 3.3.2高斯光束的相位分布 ^}1RDdQ"U g41Lh3dj 3.3.3高斯光束的远场发散角 1yB;"q&Xd "(efd~.] 3.3.4高斯光束的高亮度 NuO>zAu MZjiJZaO:L 3.4稳定球面腔的光束传播特性 ,IJ Nuu\ 6vaxp|D 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 c?R.SBr,' 8e\v5K9 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 pn $50c 1M;)$m: 3.5其他几种常用的激光光束 \[oHt:$do l.) N 3.5.1厄米-高斯光束 dY-a,ch"8p zRJy3/> 3.5.2拉盖尔-高斯光束 hE6tu' |(P;2q4> 3.5.3贝塞尔光束 Ro1' L1: I(<G;ft<} 3.6激光器的输出功率 b/K&8C,c %x Z.+Ff% 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 /3TorB~Y m~U{ V9;* 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 f<;9q?0V F `2fuV]FW 3.7激光器的线宽极限 blN1Q%m6 w%_BX3GTO 3.8激光光束质量的品质因子M2 %@&)t?/= O(~ V voq 3.9模式激光的某些一阶统计性质 _(z"l"l=$ O^x t 3.9.1单模激光的一阶统计性质 aXJe"IT.u 7}x-({bqy 3.9.2多模激光的一阶统计性质 @iP6 N 3
#wj- 思考练习题3 "|G,P-5G " _[ phs06A 第4章激光的基本技术 ;Pa(nUE@ Td F< 4.1激光器输出的选模 ~JNuy"8 $K KaA{ 0- 4.1.1激光单纵模的选取 }6bLukv
YiCDV(prT 4.1.2激光单横模的选取 1wgu%$|d tQ~B!j] 4.2激光器的稳频 -&EmE Xs% %pp+V1FH 4.2.1影响频率稳定的因素 (
7?% Hg 9A_7:V ] _ 4.2.2稳频方法概述 jwq"B$ap 0hkuBQb\ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 }gW}Vr < JB(;[# '~ 4.2.4饱和吸收法稳频 'JMa2/7CG d c>y7$2 4.3激光束的变换 uJOW%|ZN` eI}VH BAz 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 W*<]`U_. vOK;l0% 4.3.2高斯光束的聚焦 =eqI]rVj^ i4I0oRp 4.3.3高斯光束的准直 _6m3$k_[MJ S>,I&`yi 4.3.4激光的扩束 I5L7BT e C' ._}\nX 4.4激光调制技术 i-?zwVmn [tzSr=,Cg 4.4.1激光调制的基本概念 !T* B{+| ]CZLaID~
4.4.2电光强度调制 V</T$V$ c2^7"` 4.4.3电光相位调制 $)3PF rl%Kn^JJ~ 4.5激光偏转技术 aHC;p=RQ\A qYiAwK$ 4.5.1机械偏转 !7)ID7d >p*HXr|o$ 4.5.2电光偏转 {{3H\
r R / D ]B 4.5.3声光偏转 `&_ k\/ @(c<av? 4.6激光调Q技术 ? sW`**j V@:=}*E 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q ;n!X% S<z* {0e{!v 4.6.2调Q原理 8 uxFXQ f^4*. ~cB 4.6.3电光调Q
_)E8XyzF uAs*{:4n 4.6.4声光调Q t4_K>Mj+d vkpV,}H 4.6.5染料调Q MNqyEc"" Noxz kpMF 4.7激光锁模技术 23$ hwr&G\ Sqf.#}u<= 4.7.1锁模原理 <88}+j P$/A! r 4.7.2主动锁模 E$tk1SVo
hu(K!>{ 4.7.3被动锁模 \~t~R q -0SuREn 思考练习题4 m]d6 @"Z. a RKRy 第5章典型激光器介绍 f_h"gZWV !7`=r T& 5.1固体激光器 ** r? SP7g qM 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 rg^\BUa-W, zXPJ;^Xxa 5.1.2固体激光器的泵浦系统 }r~l7 2
` oHXW])[ 5.1.3固体激光器的输出特性 xO<-<sRA sQAc"S 5.1.4新型固体激光器 *7;*@H*jd $ t# ,'M 5.2气体激光器 R}X_2"" sq(Ar(L< 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 Bb [e[, ah a/ <pf\O 5.2.2二氧化碳激光器 0 , Qj: *<1x:PR 5.2.3Ar＋离子激光器 9=~H6(m> w+9C/U;|s 5.3染料激光器 3b)T}g uM)9b*Vbo 5.3.1染料激光器的激发机理 5'c+313 lm 199h Qxib: 5.3.2染料激光器的泵浦 [{p?BTs @EP{VV 5.3.3染料激光器的调谐 QjjJtKz XBWSO@M' 5.4半导体激光器 '"]>`=R Bd B ` 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 7! b)'W?
wy_;+ 'Y 5.4.2PN结和粒子数反转 w4fJ`, 76_8e{zbr 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 ssX6kgq_( S5E,f?l 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 6 ,pZRc YNgR1 :l 5.5其他激光器 l`FR.)2h 9Aj gf y> 5.5.1准分子激光器 v>y8s&/ @@{_[ir 5.5.2自由电子激光器 ;TV 'PJ 9H Nh*Gc= 5.5.3化学激光器 ghobu}wuF "E ok;io 思考练习题5 H&yFSz}6a =Mu' +,dT 第6章激光在精密测量中的应用 U8QR*"GmT 1_j<%1{sZ 6.1激光干涉测长 ^tg6JB;s 'tV"^K QHI 6.1.1干涉测长的基本原理 x U13fl ~Miin 6.1.2激光干涉测长系统的组成 ^{fi^lL= $E`i qRB 6.1.3激光外差干涉测长技术 01-\:[{ cGpN4|*rQ 6.1.4激光干涉测长应用举例 #}t 1 M89-*1 6.2激光衍射测量 R( /[NvUb r>Qyc 6.2.1激光衍射测量原理 fD\^M{5f qtdxMX ]iR 6.2.2激光衍射测量的方法 0.u9f `04 [!:-m61 6.2.3激光衍射测量的应用 cFI7}#,5 P$(WdVG 6.3激光测距 5}X<(q( fbH W Bb 6.3.1激光脉冲测距 L.T gJv43 RP`GG+K 6.3.2激光相位测距 STXqq[+Rf l?@MUsg+ 6.4激光准直及多自由度测量 G&%n F4 oA!5dpNhU 6.4.1激光准直仪 J I+KS u"#6_-0 y 6.4.2激光衍射准直仪 =2;mxJ# o B{OW}D$P# 6.4.3激光多自由度测量 +B` 'P9Zk@ 4+/fP 6.5激光多普勒测速 \N`fWh8& {m_ A1D/_ 6.5.1运动微粒散射光的频率 0uVk$\:i ]5 o0 6.5.2差频法测速 H IPcZ!p e8XM=$@ 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 PuCwdTan_ [Hv*\rb 6.6环形激光测量角度和角加速度 I8<I l ^ 0okO+QU,a 6.6.1环形激光精密测角 a%MzNH uKR\Xo} 6.6.2光纤陀螺 hapB! ~M? Nl=m'4 @` 6.7激光环境计量 RI[ 7M ( q9>Ls -k 6.8激光散射板干涉仪 l5ZADK4 TZ&4 思考练习题6 pW*{Mx
Z ;j/K 第7章激光加工技术 GZ/pz+)i& 95.qAFB1 7.1激光热加工原理 BB2_J=wA G8 ^0 ^@o 7.2激光表面改性技术 _dYf TRs[ ~K)n 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 0%;N9\ ,h%D4EV x 7.2.2激光表面熔凝技术 1&X}1 KXoL,)Hl 7.2.3激光熔覆技术 L?=#*4t fbh6Ls/ 7.3激光去除材料技术 [+hy_Nc$ XPHQAo[(s 7.3.1激光打孔 G t^|+[gD Cp .1/ 7.3.2激光切割 763E 6,7 ;,v!7 7.4激光焊接 M(n<Iu4^_ o| z+ !, 7.4.1激光热导焊 ?o2;SY(- c[(yU#@ 7.4.2激光深熔焊 E/"YId `A K)<Wm,tON 7.4.3激光复合焊 )LkM,T 8yHq7= 7.5激光快速成型技术 m.1LxM$8 NEq t).
7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 M ZCL:# R'*<A3^ 7.5.2激光快速成型技术 f|-
m ^/y fp.!VOy 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 u/z,92mmS IY];Ss&i 7.6其他激光加工技术 I#i?** J}x>~ ?W 7.6.1激光清洗技术 Ak x H r/UY C"K3 7.6.2激光弯曲 I["F+kt^^ DY)D(f/&3 思考练习题7 UJ7'JBT=k m(2G*} 第8章激光在医学中的应用 (3e;"' k %)zk..K{l 8.1激光与生物体的相互作用 JaH*
rDs- 8 # 6\+R 8.1.1生物体的 光学特性 L@7Qs6G2u ]WTf< W< 8.1.2激光对生物体的作用 Bj;\mUsk Vh 2Bz 8.1.3激光对生物体应用的优点 /yLzDCK n uQeqnGp 8.2激光在临床治疗中的应用 77+| #< J /0Z|+L9Jo 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 IM@"AD52a A{4Dzm ! 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 q]F4Lq ( l<u{6o 8.2.3激光在眼科中的应用 v2IEJ MinbE13?U 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 [_j6c j] lo"j )Zt 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 0LS -i% 0 %,33gZzf 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 S
<2}8D 6hp{,8|D"m 8.2.7光动力学治疗 [6O04"6K tJff+n> 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 iwvt%7 E3y6c) < 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 NPS .6qY P=c?QYF 8.3.2激光断层摄影 IDj_l+?c xM%
pvx.'L 8.3.3激光显微镜 v}Z9+ yRC2 o1e 4.-xI 8.4医用激光设备 +Dd"41 K*[9j 0 8.4.1医用激光 光源 -<|Y 1PQ q1H~
|1 8.4.2医用激光传播用 光纤 :MK=h;5Z R_7
6W& 8.5激光应用于医学的未来 ZOp^`c9 ~ o\&~CW~@~ 8.5.1医用激光新技术 C9o$9 l+B WPtMds4 8.5.2光动力学治疗的前景 %?Rs*-F.~1 ~xw5\Y^ 思考练习题8 ] \7lbLv Sobtz}A* 第9章激光在信息技术中的应用 d`85P+Qen|
^,+nef?= 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 mqdO u{kQ n"iNKR>nW 9.1.1半导体激光器 ,6DD=w 0r !Ri
r&gF 9.1.2光纤激光器 *
flW L `v~!H\q 9.1.3光放大器 m*`cuSU|o lw s(/a*c 9.2激光全息三维显示 ?d4Boe0-a2 o!=WFAi[pX 9.2.1全息术的历史回顾 =rEA:Q`~w jM]d'E?ZLA 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 RE 9nU%! #\L Z;&T'N 9.2.3白光再现的全息三维显示 t}VwVf<K Qo.Uqz.C 9.2.4计算全息图 o*-9J2V=J vu<#wW*9 9.2.5数字全息术 t-!m
vx9Z 7lwTZ*rnY 9.2.6全息三维显示的优点 )%q tE34` Ge^Qar 9.2.7全息三维显示的应用 e{0L%%2K IO"hF 9.2.8全息三维显示技术的展望 Z["BgEJ yc[(lq.^n 9.3激光存储技术 @UO}W_0ZD mL$f[ 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 ;gUXvx~~r 1M+oTIN 9.3.2激光光盘存储 F N!1| 'VK ;\x~ '@ 9.3.3激光体全息光存储 \DS^i`o)rY Yy hny[fa9 9.3.4激光存储技术的新进展 q? 9GrwL8F 1A^1@ ^{m' 9.4激光扫描和激光打印机 #]y5z i IC/ Q 9.4.1激光扫描 C U$)QH{ U<[jT=L 9.4.2激光打印机 !R6ApB4ZI s/ t11; 9.5量子光通信中的激光源 qp&4 1 bAiJn< 9.5.1量子光通信 (sCAR=5v\ k;H nu 9.5.2量子态发生器及应用 4mJFvDZV` ,Kw5Ro`I: 思考练习题9 CW-A e `%=<R-/#7S 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 K &dT(U NAJVr}4f 10.1激光核聚变 h/K@IA d }Eh*x Ota 10.1.1受控核聚变 -zKxf@" mx p Y&Y 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 '$[Di'*; jct./arK 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 1
i 3k q@ZlJ3%l, 10.2激光冷却 DP*@dFU" vq>l>as9 O 10.3激光操纵微粒 .S7:;%qL6 \$pkk6Q3,w 10.3.1光捕获 "!KpXB c,> Q["t eo]DQ 10.3.2微粒操纵 Qx t@ V *_"u)<J 10.4超越经典衍射极限的分辨率 Y(r@v X;!~<~@ Y 10.4.1解析延拓 j?-R]^-5 K5`Rk" s 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 <2< 87 PU QVtM.oi!Q 10.4.3傅里叶叠层算法 9$RI H\* BJ5}GX! 10.4.4相干谱复用 ;Z 9IZ~ _ kN*e:t 10.4.5非相干结构光 照明成像 0^&!6R 8\#
^k#X 10.4.6超分辨荧光显微镜 ip jkZG@ F8=n hn 10.5激光光谱学 2f,2rW^i 3n48 %5 10.5.1拉曼光谱 !9 f4R/ ? %| +E48 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 5 <+K R.W 1mH\k5xu 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 Oy_ c Qf@i U%G 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 |/T43ADW fdv`7u+}a 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 R OdK8*jL CdZ BG 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 #/
"+ a$JLc a 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 79BaDB`{a BX< dSK 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 E\ th%q,mG lZWX7FO' 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 L*]0" E DtF}Qv A 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 PDP[5q r ax|1b`XUr" 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 FWY2s(5p #YK5WTn5 思考练习题10 \#,t O%D 'q{733o 附录A随机变量 `xz&Scil q_t4OrLr= A.1概率的定义和随机变量 P Sx304 G>z,#Xt A.2分布函数和密度函数 (^n*Am;zlH ]Pc^#=(R0 A.3推广到两个或多个联合随机变量 k\7:{ y@, jbte
*Ae A.4统计平均 Q0cRH"!: A6"Hk0Hf 附录B随机过程 $_X|, v9 ]}PV"|#K{c B.1随机过程的定义和描述 pq! %?m] *xs!5|n+ B.2平稳性和遍历性 v:|( 8Y %0-wpuHc(] 参考文献 L%cVykWY" >e& :`2%.  =f 7r69I" Is.WZY a （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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