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。 #U- y<[
3 qoZi1,i' v/
Ge+o0K 3!9JXq%Hl 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 ovN3.0tAI fYuSfB+< 1.1光的波粒二象性 BP j?l ,~cK]!:>s 1.1.1光波 P?q HzNGi7 3chx 4 1.1.2光子 WT\wV\P u oQ,n?on 1.2原子的能级和辐射跃迁 xp1/@Pw? GDCp@%xW 1.2.1原子能级和简并度 >h8 m8J q5r7 KYH{ 1.2.2原子状态的标记 FV9{u[3m HIw)HYF 2 1.2.3玻尔兹曼分布 I._ A dm/3{\ 4 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 ~ Q=;L> Qd {*bx8* y1 1.3光的受激辐射 274j7Y' a)W|gx6Y 1.3.1黑体热辐射 8 /p ]'BLf nY MtK 1.3.2光和物质的作用 f-#:3k*7S |?jgjn&RQ 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 GTB\95j] 0(d!w*RpG 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 w &YUb,{Y N^B7<~ bD 1.4光谱线增宽 LS*L XC W\j'8^kI9 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 5 `TMqrk f'ld6jt|% 1.4.2自然增宽 d( }?
\| >]_6|Wfl 1.4.3碰撞增宽 dlyGgaV*X }{+?>!qD t 1.4.4多普勒增宽 7}qxW z 3 US`6Y" 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 v1i-O' n]vCvmt 1.4.6综合增宽 A __ _|
#R i9 CQ ~ 1.5激光形成的条件 ;fV"5H)U\ -`ljKp 1.5.1介质中光的受激辐射放大 "E7<S5 cr D|U bh ] 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 kReZch} W`LG.`JW 思考练习题1 |{|B70v3Co 512p \x@ 第2章激光器的工作原理 gjD|f2*x fiC0'4., 2.1光学谐振腔结构与稳定性 6|Dtx5
"r LV9 R ] 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 ({Yfsf, A/9<} m 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 Hwd^C 2v Y\<w|LkD8 2.1.3稳定图的应用 `[E -V 'N6oXE 2.2速率方程组与粒子数反转 z( ^?xv Q2oo\ 2.2.1三能级系统和四能级系统 mGg/F&G9 D;2V|CkU 2.2.2速率方程组 8 |=
c3Z RpU i' 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 K_t >T)K T/u61}'U{ 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 iiu T:r ~%tVb c 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 {8":c n
j [V
/f{y~ { 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 ;L", K?6# i \Yd_ 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 +5- |6 F~fN7<9R 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 S_*Gv O L\#G#1x8 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 *EO*Gg0d |0p@'X1 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 ?$I9/r t ?^!OJ:L 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 ~U7B o(EJp Ym nh%wS 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 -1$z=,q' ( +S - 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 UZ<.R"aK F `F|.TX 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 Qa9@ Q$ "IpbR 2.5激光器的损耗与阈值条件 p4\sKF8- *\+oe+ 3 2.5.1激光器的损耗 LO% e1y mo
tW7|p.e 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 c #?~1@= ]p4?nT@] 2.5.3阈值条件 | Wj=%Ol%o vEG7A$Z" 2.5.4对介质能级选取的讨论 Wd+kjI \ 39[ylR|\ 思考练习题2 fhdqes]) {&Rz>JK 第3章激光器的输出特性 A3HN Mz E>E^t=; [ 3.1光学谐振腔的衍射理论 toj5b;+4F 1f"}]MbLR 3.1.1数学预备知识 > X[:(m' 2S :B%cj9m 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 G.N ` lHliMBSc 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 7c%dSs6 Dbx zqd 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 `6YN/"unfp 18kWnF]n= 3.2对称共焦腔内外的光场分布 [(3 %$?[ ncVt (!c,e 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 2cS94h D;48VK/Q 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 >#;_Ebl@ L*p7|rq$" 3.3高斯光束的传播特性 zLxuxf~4@
DHhty qm 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 e< 8KZ Mx# P
>. 3.3.2高斯光束的相位分布 Zu~t )W sVnq|[ / 3.3.3高斯光束的远场发散角 Hit )mwfYE 9)[)0 7 3.3.4高斯光束的高亮度
t"~X6o|R cYOcl-*af 3.4稳定球面腔的光束传播特性 1Qjc*+JzO. WU/5i 8 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 64 y9.P Y x a\~(B. 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 8{%&P%vf @C('kUX~! 3.5其他几种常用的激光光束 z0Y L, gH"a MEC 3.5.1厄米-高斯光束 \O~WMN U(~Nm o' 3.5.2拉盖尔-高斯光束 +,T}x+D |1<B(iB'{/ 3.5.3贝塞尔光束 KA T"!b VVuNU"- 3.6激光器的输出功率 bx7hQzoX=b W=#jtU`:5 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 r' |ei , :2b*E`+ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 ) 5x$J01S !QqVJ a{j 3.7激光器的线宽极限 PKGqu,J, O|9Nl*rXz 3.8激光光束质量的品质因子M2 xkkG#n) Y'}c$*OkI 3.9模式激光的某些一阶统计性质 gxVJH'[V5 ZY6%%7?1 3.9.1单模激光的一阶统计性质 B>"-8#B[4 ;ae6h
[ 3.9.2多模激光的一阶统计性质 Fv nf;']q K|;L{[[yH 思考练习题3 @}%kSn5y: hig t(u 第4章激光的基本技术 UU#$Kt*frR ,yfJjV*I 4.1激光器输出的选模 Pi%-bD/w CWD
$\K G 4.1.1激光单纵模的选取 N>@.( f&w 1P BnGQYM 4.1.2激光单横模的选取 20Rm|CNH? n@oSLo`k,` 4.2激光器的稳频 ,M\/[_: +~;# !I@Di 4.2.1影响频率稳定的因素 E
/ycPqD 1aUu:#c 4.2.2稳频方法概述 (tg+C\
S. ;~}!P7z 4.2.3兰姆凹陷法稳频 |c2;`T#`o +: J:S"G 4.2.4饱和吸收法稳频 b#S-u }1PE g(F2IpUm/ 4.3激光束的变换 v1NFz>Hx 8nSw7:z 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 #hEU)G' $+ You~
6d6Om 4.3.2高斯光束的聚焦 *m 6*sIR /\pUA!G)BD 4.3.3高斯光束的准直 MR* % lZpB {Q0DHNP(G 4.3.4激光的扩束 od3b, Q <9Ytv|t@0 4.4激光调制技术 $bk_%R}s uVw|jj 4.4.1激光调制的基本概念 b]W vKdq Wk/Il^YG 4.4.2电光强度调制 tqU8>d0^ =?h bi] 4.4.3电光相位调制 tkdy R1- Ygk QF0+ 4.5激光偏转技术 _b[Pk;8}j; 3cFvS[JG 4.5.1机械偏转 9:Z|Z? >? g^k=z:n3, 4.5.2电光偏转 i32S(3se x=Ez hq]X 4.5.3声光偏转 <)gTi759h) xQ zXl 4.6激光调Q技术 3^ F1 hCB 6c [ L*1 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q 'G3|PA7v Z ^yn S 4.6.2调Q原理 3>^S 6h}o Olq`mlsK 4.6.3电光调Q j1dz'G}hj ;;zd/n2b 4.6.4声光调Q Lor__
K /oU$TaB>( 4.6.5染料调Q tkhE jTZ YZ5[# E@l 4.7激光锁模技术 AyMbwCR"X zXeBUbVi 4.7.1锁模原理 &. "ltB 7FP
@ v ng 4.7.2主动锁模 qo}u(p Oj| FHZQyO< | 4.7.3被动锁模 + hMF\@ A:,V) 思考练习题4 #r80FVwiD 4_vJ_H-mO, 第5章典型激光器介绍 El3Ayd3 M_F4I$V4 5.1固体激光器 9h^TOZK) f. U.( 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质
l65Qk2<YC xh!aB6 m8R 5.1.2固体激光器的泵浦系统 7Y*Q)DDy iSj.lW 5.1.3固体激光器的输出特性 E&|EokSyN ; HjT 5.1.4新型固体激光器 X0%BE! {=kW? 5.2气体激光器 2rX}A3%9^^ X\]Dx./ 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 N+ ei)- is=|rY9$ 5.2.2二氧化碳激光器 _1 HEGX\ PAy7b7m~B 5.2.3Ar＋离子激光器 P, SI0$Z &ETPYf%# 5.3染料激光器 F#\+.inO ${, !L l7) 5.3.1染料激光器的激发机理 6T A2 b]5S9^=LI 5.3.2染料激光器的泵浦 Gjf1 Ba 0:k
MnHn\ 5.3.3染料激光器的调谐 <e' l"3+9( ~1.~4~um 5.4半导体激光器 lyrwm{& / ,
.rUn1 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 gd\b]L? >O {]:B80I;2 5.4.2PN结和粒子数反转 <=!|U0Y V
k.w}}78N2N 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 zH?&FtO ~dj4Q
eu 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 !fG `xZ~ :vy./83W 5.5其他激光器 OL$^7FB qt#4i.Iu+ 5.5.1准分子激光器 jT q@@y e!*%U= [Q 5.5.2自由电子激光器 }WG -R FuZLE%gP 5.5.3化学激光器 Z~Z+Yt;,9a
.)XJ- 思考练习题5 cds F<tpy ~6:y@4&F 第6章激光在精密测量中的应用 } T<oL vS p9$=."5 6.1激光干涉测长 W/| C DM@&=c 6.1.1干涉测长的基本原理 >iB-gj}>X Q\<^ih51 6.1.2激光干涉测长系统的组成 .TWX ,# <S%kwS 6.1.3激光外差干涉测长技术 r<L>~S>yb ) _O 6_ 6.1.4激光干涉测长应用举例 U?Icyn3q0 4 jeUYkJUM 6.2激光衍射测量 `` mi9E 1)f~OL8o 6.2.1激光衍射测量原理 *]_GFixi )|zna{g\ 6.2.2激光衍射测量的方法 -a$7b;gF 7Y(ySW 6.2.3激光衍射测量的应用 (KxL*gB zE NlL 6.3激光测距 x2g P, p- 13 T0"} 6.3.1激光脉冲测距 Y4|g^>{<ni IW'2+EGc 6.3.2激光相位测距 &$</|F)y Li;(~_62a] 6.4激光准直及多自由度测量 |+MV%QG; <\cH9D`dE 6.4.1激光准直仪 nu#_,x<LS 'qg q8 6.4.2激光衍射准直仪 s GP}>w-JZ :{v:sK 6.4.3激光多自由度测量 # TX=%x6 9 v<Sng 6.5激光多普勒测速 ){oVVLs :J}@*>c 6.5.1运动微粒散射光的频率 $yx34= (g@e=m7Q 6.5.2差频法测速 #}A
>B =Gq
'sy:h 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 ZSTpA,+6 5PQ s1 B 6.6环形激光测量角度和角加速度 '.wyfS H@ ~=,|dGAa$ 6.6.1环形激光精密测角 )ccd fSe hFjXgpz5 6.6.2光纤陀螺 [T.BK: :oH" 6.7激光环境计量 z A xwM-` -vfV;+3 6.8激光散射板干涉仪 x6ig,N~AO o?J>mpC 思考练习题6 hsQrHs'k ?7cF_Zvve 第7章激光加工技术 ntSPHK|' @:. 6'ji,` 7.1激光热加工原理 uv2!][ [D H@>:"dd 7.2激光表面改性技术 imtW[ y+4 B K'!WX 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 iD|"} }01 'H`_Z e< 7.2.2激光表面熔凝技术 9k^;]jE rY>{L6d 7.2.3激光熔覆技术 %&"_=Lc 1px:(8]{ 7.3激光去除材料技术 5}R /C{fs eP3)8QC 7.3.1激光打孔 ) ( &g\ P$)9osr 7.3.2激光切割 2I'\o7Y ujcNSX* 7.4激光焊接 ~} mX#, c(bh i 7.4.1激光热导焊 nYuZg6K =ot`V; Q> 7.4.2激光深熔焊 {nbD5 ? eN%Ks 7.4.3激光复合焊 I/GZ T"Wq: 7.5激光快速成型技术 ?#\?&uFJ} .J~iRhVOF 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 r&\}E+ ^n<p#0)+a 7.5.2激光快速成型技术 ;sa-Bh=j^ B{|P}fN5} 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 6kj Bd3 F5J=+Q%8[& 7.6其他激光加工技术 5-w6(uu %.b)%= 7.6.1激光清洗技术 SM:{o&S` P!m~tu}B 7.6.2激光弯曲 8@/]ki `> 2u6N';jgZ 思考练习题7 yaA9* k 8\y%J!b 第8章激光在医学中的应用 m7e$ Z gW6lMyiLb 8.1激光与生物体的相互作用 -2tX 15, sj`9O- ?49 8.1.1生物体的 光学特性 \x x<\8Qr_ &tQ,2RT 8.1.2激光对生物体的作用 ;oULtQ m5zP|s1`[' 8.1.3激光对生物体应用的优点 mb?DnP,z :H\6wJ 8.2激光在临床治疗中的应用 _hMV v&$ Tc\^=e^N? 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 ?i(Tc! t3Q;1 #Zf 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 $&k2m^R< F)_Rs5V:( 8.2.3激光在眼科中的应用 *H&a_s/{Nb =o _ d2 Ak 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 akBR"y:~:H dlK#V) 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 Roy`HU
;0a !V@Y \M
d 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 bg_Zf7{ C3bZ3vcW$ 8.2.7光动力学治疗 KL.{)b i 5]p>& |Ud 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 .rG Rdb
M5ex o
8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 F^T7u?^) m2{z 8.3.2激光断层摄影 Ps<)?q6( u;& `_=p 8.3.3激光显微镜 .m/Lon E ;b
cy(Fp,\ 8.4医用激光设备 4VaUa8 D N iNZh; 8.4.1医用激光 光源 <pYGcVB9V AWQwpaj- 8.4.2医用激光传播用 光纤 i3;Z:,A4NN LD_a J^(d 8.5激光应用于医学的未来 {
j&|Em] qg:1 8.5.1医用激光新技术 in # qV PM =I 8.5.2光动力学治疗的前景 [JMz~~ F w:'$Uf8] 思考练习题8 T_jwj
N N##3k- 0Ao 第9章激光在信息技术中的应用 gA2\c5F< 2d<ma*2n( 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 YZpF*E;6t 3 {on$\ 9.1.1半导体激光器 &E {/s i]hFiX 9.1.2光纤激光器 %Dsa
~{ RJF1~9 9.1.3光放大器 faD(, H `x6 i5mp 9.2激光全息三维显示 #1u4Hi(x5 )dC%g=dtc 9.2.1全息术的历史回顾 }6C&N8 f kfm8F8sxl 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 0
"pm7 c 0!bn b 9.2.3白光再现的全息三维显示 OYG8%L {x2N~1!E 9.2.4计算全息图 7ou2SL}k RF g $N@g, 9.2.5数字全息术 4y
582u6^ GsqrKr bJ 9.2.6全息三维显示的优点 X?4tOsd \e'>$8%T 9.2.7全息三维显示的应用 Pm+H!x, !ybEv | = 9.2.8全息三维显示技术的展望 v[m/>l2[P K{M_ 4'\ 9.3激光存储技术 2',t@< U u"pn'H 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 )F4er ' m>zU wGYEu 9.3.2激光光盘存储 /,E%) K; (X>r_4W$ 9.3.3激光体全息光存储 JO+ h D4L w`>xK
sKW> 9.3.4激光存储技术的新进展 cQ3Dk<GZ z ;
:E~; 9.4激光扫描和激光打印机 0lmoI4bW}s Uy_`=JZ 9.4.1激光扫描 js8 uvZ i ; M"hX 9.4.2激光打印机 :l3Tt< u ^ngD 64 9.5量子光通信中的激光源 wAk oX ^U~YG=!ww 9.5.1量子光通信 iOki ZN+d> C@]Z&H; 9.5.2量子态发生器及应用 X5>p~;[9 OWOj|j M 思考练习题9 =x/]2+
s VWLou
jB 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 v,+2CVdW wG^{Jf&@$ 10.1激光核聚变 @*%5"~ F x :sTE u@ 10.1.1受控核聚变 aeH
9:GQ6 tQ?? nI2 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 )2bPu[U E@ t~juF! 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 l6l )M ~73YOGiGJH 10.2激光冷却 zpg*hlv }p 8a'3@Z 10.3激光操纵微粒 /:U\U_j *(o~pxFTR 10.3.1光捕获 _h@e.BtDs Q4c>gds` 10.3.2微粒操纵 "'6KQnpZ mI"|^!L 10.4超越经典衍射极限的分辨率 D_@r_^} v
C><N 10.4.1解析延拓 ) W *S6}A n!3_%K0!r& 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 tOp>O oD 5^0W\
10.4.3傅里叶叠层算法 ||qsoF5B] aQinR"o 10.4.4相干谱复用 7z F29gC -] J V 10.4.5非相干结构光 照明成像 o1I{^7/ 8 b|& 10.4.6超分辨荧光显微镜 )ALf!E%{ `;QpPSw + 10.5激光光谱学 8LR_K]\ g%RL9-z 10.5.1拉曼光谱 a8Ci 7<V P" 3{s+ r 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 E(TL+o =<a`G3SY! 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 ;uDH&3W .rN 5A+By` 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 ;t"#7\ [",W TZ: 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 oryoGy=(yk ) ZNH/9e/ 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 PN0:,.4 _j <46^ 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 kQ{pFFO Os?~ U/ 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 3Yg/-=U( I&R4.;LW 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 yy/w Sk p0'A\@| 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 6^UeEm jc &W`yHQ"JY 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 mY;Y$fz;xL .w[]Q;K_[) 思考练习题10 ;f0+'W *4]I#N 附录A随机变量 9s 5CqB .T4"+FTzP A.1概率的定义和随机变量 y\r8_rBo tC-(GDGy5 A.2分布函数和密度函数 M/ R#f9W i<)c4 A.3推广到两个或多个联合随机变量 0(:"q!h zOWbdd_zl A.4统计平均 p4HX83y{ l)=Rj `M 附录B随机过程 & UL(r 3V LwMF? B.1随机过程的定义和描述 2$=?;~ :6N{~ [:4 B.2平稳性和遍历性 *sZOws< Dr,{V6^ 参考文献 QZt/Rm>W0 " 0K5
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