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。 Ot q`4 5 VQ wr8jXye  gq9IJ =OY&;d!C 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 zY_xJ"/9
QcQQQM 1.1光的波粒二象性 aK>5r^7S f}{ l Rk 1.1.1光波 > SRUC Axp#8 1.1.2光子 J |4q9$ }*eiG 1.2原子的能级和辐射跃迁 ZccQ{$0H dQ P7CP 1.2.1原子能级和简并度 _
nF sC lS1-e0,h1 1.2.2原子状态的标记 }#0MJ6L
qkQ _# 1.2.3玻尔兹曼分布 CUJP"u>8M '2)c;/-E 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 1$S;#9PQ S}fU2Wi 1.3光的受激辐射 xX;@
BS i>=d7'oR 1.3.1黑体热辐射 9gjI;*(z1 )gM3,gSS 1.3.2光和物质的作用 @ qF E6! cfZG3 " 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 m
,B,dqT Mou@G3 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 J6m`XC D2hE I2S 1.4光谱线增宽 bOIVe 6AS'MD%& 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 |Gm V1hN O<}^`4d 1.4.2自然增宽 >)5=6{x Eu%19s; u 1.4.3碰撞增宽 do3 BI4Q ZH PsGH A 1.4.4多普勒增宽 &!)F0PN:u mX@Un9k 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 G` !ff Ub1? dk 1.4.6综合增宽 @\~qXz{6J NF?FEUoxz 1.5激光形成的条件 }h+_kRQ eFO+@
1.5.1介质中光的受激辐射放大 qg7]
YT& i&cH 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 {HgW9N( |. b p 思考练习题1 G5^ gwG+ ,H{
/@|RW 第2章激光器的工作原理 eiLtZ Q V<} ^n 2.1光学谐振腔结构与稳定性 $Cu/!GA4.> [\9WqHs 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 [V#"7O vl Oto pA) 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 9JF*xXd>Q kvU0 $1 2.1.3稳定图的应用 Kd_ WN;l uj.~ /W1,! 2.2速率方程组与粒子数反转 + mBJvrI pv;c<NQ'1 2.2.1三能级系统和四能级系统 =k4yWC5- JCIm*6~ 2.2.2速率方程组 T;- Zl[H V/5hEo Dt 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 Y^)VHE] >K`.!!av,Y 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 {HqwpB \@ my#qmI 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 h t^U VV2 )k&pp^q\ 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 1B 3,lYBM h.) 2, 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 ixJUq o +n(H"I 7cU 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 $XS0:C0 m RCgKW< 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 -X@;"0v QN(f8t( 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 < %Qw
dEO `
n{rzenPX 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 dE5DH~ldV !2x"'o 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 *jWU8.W ADX} 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 Q}jbk9gM5 hMJ \a 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 vg5zsR0u f5a%/1? 2.5激光器的损耗与阈值条件 gB 3& A Q e,E;\x
& 2.5.1激光器的损耗 K/[v>(< U]sU
b3 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 i:#R
U^ R f/)3b`$Wu 2.5.3阈值条件 AW'tZF" Coq0Kzhsab 2.5.4对介质能级选取的讨论 ZP)=2'RY BN4dr9T 思考练习题2 :0T]p"y4 n#3y2,Ml 第3章激光器的输出特性 {CH\TmSz ^J>2 8Q\S 3.1光学谐振腔的衍射理论 nVG\*#*]| |~H'V4)zXu 3.1.1数学预备知识 mUy/lo'4 jTw s0=F* 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 6@2p@e Yo VhSKtD1 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 UO"8 I2rB |iM*}Ix- 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 f Jv 0 B* 9+QLc b 3.2对称共焦腔内外的光场分布 Cu;X{F'H ! #
tRl 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 n 2#uH glHag"( 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 54 F([w 4BEVG&Ks
3.3高斯光束的传播特性 mKpUEJ<a >mF`XbS 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 4)j<(5 XQ(`8Jl&^ 3.3.2高斯光束的相位分布 R l5} W\& hQGZrZK# 3.3.3高斯光束的远场发散角 '%RMpyK~ s* 9tWSd 3.3.4高斯光束的高亮度 mA^>Y_: PLLlo~Bb 3.4稳定球面腔的光束传播特性 /Hzh gMV3 Y SrFHVq 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 q/OraPAB q=?"0i&V 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 D'nV
& m b}"/K$` Fd 3.5其他几种常用的激光光束 r)j#S kh].
l3g6y 9; 3.5.1厄米-高斯光束 /v!H{Zw=c 7DYD+N+T 3.5.2拉盖尔-高斯光束 WZ&#O#(eO` ! ;\-V} V 3.5.3贝塞尔光束 =m/2)R{ !d(! 1fC 3.6激光器的输出功率 RTl7vzG M3z7P.\G 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 + H<%)Lk J #kb(2Td 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 :&:>sd(QD 19# )#
n^ 3.7激光器的线宽极限 qw , >~ |u}sX5/q 3.8激光光束质量的品质因子M2 =kc{ Q@Dk ^cAJC bp7 3.9模式激光的某些一阶统计性质 oNCDG|8 z shn-Es* 3.9.1单模激光的一阶统计性质 (u'/tN GS #ASu
SQ 3.9.2多模激光的一阶统计性质 >y8Z{ALQ5 73<iK]*c 思考练习题3 {W4t]Ff 7I44BC*R~ 第4章激光的基本技术 ah<f&2f Rw\DJJrz 4.1激光器输出的选模 ^X;>?_Bk h =U 4 4.1.1激光单纵模的选取 *xjIl<`pK # xo&#FIH 4.1.2激光单横模的选取 =& lYv C4cg,>P7 4.2激光器的稳频 L %8 "d6 w`v\/a_ 4.2.1影响频率稳定的因素 - 'VT z"vgwOP su 4.2.2稳频方法概述
<?7~,#AK 6FmgK"t8 4.2.3兰姆凹陷法稳频 'Hia6 <m3 $Yxy(7d7w 4.2.4饱和吸收法稳频 e^an` </{ VsM N i#? 4.3激光束的变换 ZT8j9zs A3$b_i @P 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 hWu)0t :)yM9^<D 4.3.2高斯光束的聚焦 lyeoSd1AN K;ML' 4.3.3高斯光束的准直 lpM{@ JC _t [%@G>P 4.3.4激光的扩束 ;(,Fe/wvC gc:>HX );) 4.4激光调制技术 J|q_&MX/ !Ch ya 4.4.1激光调制的基本概念 j%h
Y0
wz#n$W3mGf 4.4.2电光强度调制 srkOa d M:$nL 4.4.3电光相位调制 ?C{N0?[P- q'r3a+ 4.5激光偏转技术 iau&k `b` TK>}$.c%+ 4.5.1机械偏转 0A9cu,ZdUR <coCu0 4.5.2电光偏转 pp`U]Q5"gX ;CZcY] ol 4.5.3声光偏转 cOgtBEhn jY.%~Y1y 4.6激光调Q技术 i5" q1dRQ qsRh ihPX 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q yB1>83!q 8gxLL59 4.6.2调Q原理 J #]y KgT l :"*]m7o_ 4.6.3电光调Q B" z 5j
\#r_H9&s6 4.6.4声光调Q T1&H! MO/N*4U2 4.6.5染料调Q 9="sx 8? do,X{ \ 4.7激光锁模技术 S@)bl ||HIp9(3 4.7.1锁模原理 zJ`(LnV [
_$$P* 4.7.2主动锁模 QR'g*Bro QEKFuY<E+ 4.7.3被动锁模 O :^[4$~ W!X]t)Ow 思考练习题4 ^ym{DSx ;I'/.gW;{ 第5章典型激光器介绍 zY+Et.lg]^ V1`| j 5.1固体激光器 88j
;7 Gf\_WNrSE+ 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 E=NY{| > }0RFo96) v 5.1.2固体激光器的泵浦系统 &:*+p-!2< f4_G[?9, 5.1.3固体激光器的输出特性 gj^]}6-P E;H(jVZ 5.1.4新型固体激光器 ~7a BeD Q%2Lyt"( 5.2气体激光器 5#\p> }[HG ""^BW Re D 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 }8:
-I Nj4 y3]"H( 5.2.2二氧化碳激光器 -Wk"o?} q n0pe7/Ai 5.2.3Ar＋离子激光器 HPKyAcS\ e&4u^ '+K 5.3染料激光器 Zr;=p"cXr i%8&g2 5.3.1染料激光器的激发机理 66^t[[ s.)w
A`&& 5.3.2染料激光器的泵浦 n k
9 K\I
)\Q|}JV 5.3.3染料激光器的调谐 {{%8|+B =Gz>ZWF 5.4半导体激光器 ss8v4@C i6 ?JX@I 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 7=A9E] : >8O=^7 5.4.2PN结和粒子数反转 N-YZ0/c NV4W2thYo 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 N |2 ldvxYq<: 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 F)kLlsp Sf SEA^@| 5.5其他激光器 6G $tYfX 7h /Q;P5 5.5.1准分子激光器 ^>{;9 lo< !DL53DQ# 5.5.2自由电子激光器 `1<3Hu_ %E7.$Gj% 5.5.3化学激光器 ]u ~Fn2 4$GRCq5N; 思考练习题5 [<a%\:c m4 @b\_ 696. 第6章激光在精密测量中的应用 E(+wl w!w _` 7[ 6.1激光干涉测长 T8TsKjqOZ <?Izfl6 6.1.1干涉测长的基本原理 ~.`r( N/{Yi
_n 6.1.2激光干涉测长系统的组成 ~LW%lMy;^| A""*vqA 6.1.3激光外差干涉测长技术 ixHZX<6zYT '=G
Ce%A 6.1.4激光干涉测长应用举例 lT!$\E$1
FK >8kC 6.2激光衍射测量 )u/
^aK53^ `Mp7 }) 6.2.1激光衍射测量原理 maEpT4 3f m&~Dj#%(w 6.2.2激光衍射测量的方法 }\L !;6oy a{Hb7& 6.2.3激光衍射测量的应用 cPaW J+c 53*, f 6.3激光测距 lF"(|n"R }cK~=@7tK 6.3.1激光脉冲测距 p't :bR q;0&idYC 6.3.2激光相位测距 :`^3MMLO ^pV>b(?qw 6.4激光准直及多自由度测量 RHl=$Hm .% 4'hcHdL9 6.4.1激光准直仪 ?&<o_/`-H5 mS~ ]I$ 6.4.2激光衍射准直仪 J[Yg]6 -YjgS/g 6.4.3激光多自由度测量 b
hr E grxl{uIC8 6.5激光多普勒测速 T\
}v$A03 sqpOS!] 6.5.1运动微粒散射光的频率 DEQE7.]3 q 1LId_ vJtJ 6.5.2差频法测速 =Pb5b6Y@6 /`O ]etr`d 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 [ +MX$y C| L^Ds0 6.6环形激光测量角度和角加速度 u !3]RGJ fxoi<!|iGY 6.6.1环形激光精密测角 kAB+28A {29S`-|P 6.6.2光纤陀螺 87pXv6'FQ hKZ`DB4 6.7激光环境计量 KA-/k@1& "`i:)E t 6.8激光散射板干涉仪 Ds%&Mi _: Jp*z 思考练习题6 s\C 8t0C E_D ^O 第7章激光加工技术 sL AuR iA3>X-x
7.1激光热加工原理 }uI7 \\ S Z 5)_B,E:X 7.2激光表面改性技术 'LbeL1ca A6NxM8ybn+ 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 Gkv~e?Kc~^ pPyvR;NJ 7.2.2激光表面熔凝技术 4d e]?# = =0PRAc 7.2.3激光熔覆技术 ?)'
2l6 { 8f+h 7.3激光去除材料技术 "7 yNKO;W )b& -3$? 7.3.1激光打孔 W[>iJJwz R{)
Q1~H=q 7.3.2激光切割 /j' B\, IObx^N_K 7.4激光焊接 )W1(tEq59 JS/M~8+Et 7.4.1激光热导焊 @1qdd~B} n|x $vgb 7.4.2激光深熔焊 nJl eef9 | /;U)M 7.4.3激光复合焊 P1i*u0a \+iu@C 7.5激光快速成型技术 dCZ\ S91q 8VP"ydg-U 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 =9pw uH G` , u40a 7.5.2激光快速成型技术 % Cu.u)/+ SL tSq G7~ 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 69C8-fF0[I zb5N,!%r 7.6其他激光加工技术 -]Q(~'a n$XdSh/ 7.6.1激光清洗技术 IX< r5!
J ;UBnCg 7.6.2激光弯曲 #e.jY_ {[ 2tG U9 思考练习题7 k]?z~ p k7^R,.c@ 第8章激光在医学中的应用 c[VrC+e m }xD B ~k 8.1激光与生物体的相互作用 I?a8h`WS+ \Z)#lF|^ 8.1.1生物体的 光学特性 T&r +G!2 nW4Vct 8.1.2激光对生物体的作用 hCzjC|EO~ 5-D`<\ 8.1.3激光对生物体应用的优点 A g0]U 9W*.lf 8.2激光在临床治疗中的应用 Z-)[1+Hs -IBO5;2_ 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 +w"_$Tj@; aSOU#Csx 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 c 9rVgLqn! -uWKY6
:5 8.2.3激光在眼科中的应用 cYGRy,'gH FU%~ 9NKX 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 N-[n \}' '#v71 , 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 K7IyCcdB Wk@
eV\H71 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 6W5d7`A U1l0 Uke 8.2.7光动力学治疗 I-xwJi9?, cDCJ]iDs 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 ;}LJh8_ P7z:3o. 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 VS?dvZ1cC ibvJ Wg 8.3.2激光断层摄影 BBcj=]"_ KiQ(XNx 8.3.3激光显微镜 tNU-2r ?^|QiuU:n 8.4医用激光设备 Hk,lX r p ZtgIS(3 8.4.1医用激光 光源 OCCEL9d '9qn*H`' 8.4.2医用激光传播用 光纤 3[VWTq)D= J' W}7r 8.5激光应用于医学的未来 @7-= zt+f $,TGP+vH 8.5.1医用激光新技术 [FGgkd} ?cJY
B) 8.5.2光动力学治疗的前景 Q:mZ" i5 1!!\+
c2* 思考练习题8 3 4SA~5 sxo;/~.p 第9章激光在信息技术中的应用 9qpU@V! QZ&4:K+{ 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 ;1v=||V \^LWCp,C" 9.1.1半导体激光器 ]u+M TW; W<v_2iVu 9.1.2光纤激光器 P*YK9Hl< tRteyNA 9.1.3光放大器 SET-8f :j@8L.<U 9.2激光全息三维显示 [ByQ;s5tY [ (|^O>k8c 9.2.1全息术的历史回顾 \^& ACb/ITu 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 lyyX<=E{) Lj8)' [K" 9.2.3白光再现的全息三维显示 4}i*cB ` /PXioiGcs 9.2.4计算全息图 ' sey D "mOI!x f@a 9.2.5数字全息术 r,4lqar;E D<t~e$ H 9.2.6全息三维显示的优点 "b]#MO}P ! RPb|1Y}+ 9.2.7全息三维显示的应用 fywvJ$HD]L H8f]} 9.2.8全息三维显示技术的展望
%H& ].47 \0ov[T N.> 9.3激光存储技术 $w)~xE5; .%'Z~|K 4 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 g6%Z)5D]! XK qK<!F 9.3.2激光光盘存储 \5 TxE WDkuB 9.3.3激光体全息光存储 *P!s{i W 8]V 9.3.4激光存储技术的新进展 ,
ECLqs% y\'P3i hK 9.4激光扫描和激光打印机 G 4qy*. _6MdF<Xb/ 9.4.1激光扫描 |TT S? g$FEEDF 9.4.2激光打印机 Gr: 3{o` 26L~X[F 9.5量子光通信中的激光源 )\ZzTS Cqx v"NN 9.5.1量子光通信 c2 *`2qK# Bu3T/m 9.5.2量子态发生器及应用 UXH" si: [A9JshMo 思考练习题9 \:v$ZEDJ> a}gk T] 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 }gGkV] ^$-Ye]< 10.1激光核聚变 }$kQs!# ?WpenUWk 10.1.1受控核聚变 l-Nly>~ y&oNv
xG- 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 9o0!m Cq >MG(qi 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 TWd;EnNM v,OpTu:1 10.2激光冷却 C $9z yz\c 5 10.3激光操纵微粒 bMKL1+y( ! bU\zH 10.3.1光捕获 x Ho&[{ SDYv(^ f , 10.3.2微粒操纵 8)yI<`q6 F$MX,,4U 10.4超越经典衍射极限的分辨率 / i_ @ =IjQ4 0W 10.4.1解析延拓 +4qU> Q_p[k K H 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 . + RJ4.
kt 10.4.3傅里叶叠层算法 }u Y!(4Rw 6l\FIah@ 10.4.4相干谱复用 bb-q O#E qO@@8 /l 10.4.5非相干结构光 照明成像 atF?OP|{,w Sr_V L:Gg 10.4.6超分辨荧光显微镜 }{[mrG {ZsdLF# 10.5激光光谱学 T=Z.TG|lIx k`{7}zxS 10.5.1拉曼光谱 D y-S98Y MJ{%4S{K,p 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 XORk!m| ^U[D4U M 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 ut2 ~rRiK !j:`7PT\ 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 As&v Ft P OJAIaC\ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 o@bNpflb` 1|r,dE2k9 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 LiQgR
6j v(]]_h 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 ` `U^COD 13hE}g;. 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 XT>.`, sv qJ4T]FVN 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 _<c$)1 %@"!8Y(j 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 "= / f$Xf &opd2 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 R(Kk{c:-@ o=J9 思考练习题10 SQ*k =4*r Q]/Uq~m C 附录A随机变量 [U@; \V$ {LHR!~d}5f A.1概率的定义和随机变量 IuF_M<d, \!]hU%Un A.2分布函数和密度函数 7nq 3S Iq7}
A.3推广到两个或多个联合随机变量 2 {Vcb ~@ jY[_ A.4统计平均 EZ;"'4;W X1{[}! 附录B随机过程 bg,9@ }"F 5q9 s,r_ B.1随机过程的定义和描述 7Z ;?b0W sZ,Y60s8a B.2平稳性和遍历性 w;UqEC V ev1 W6B-a 参考文献 ~Nf})U 0+Ta%H{  bHLT}x/Gw 4(6b(]G'# （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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