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。 /{nZ I_v# EtA ,ow  \`WAG>'l5 1DM$FG_Z- 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 <W88;d33r= KPI[{T\`ZM 1.1光的波粒二象性 ]d,#PF gYfO a`k 1.1.1光波 ;($ 3,d8 ]`eJ Sk. 1.1.2光子 ??XtN.]7 dsA::jR0P6 1.2原子的能级和辐射跃迁 R5' _il T2i\S9X 1.2.1原子能级和简并度 5C"A*Fg?; sys;Rz2 1.2.2原子状态的标记 Axx{G~n! [ Zz56=ZX*_ 1.2.3玻尔兹曼分布 ceN JXK (r$QQO) / 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁
"'mr0G9X 3G-f+HN^E 1.3光的受激辐射 K@;ls &}vc^io 1.3.1黑体热辐射 cUZ^,) 8
Z d15E$?ZLH 1.3.2光和物质的作用 r;OE6}L> / lN09j 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 KS(Ms*k;' ,ikn%l#cm 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 ;X[23A{ \}NZ] l 1.4光谱线增宽 C'CdVDm X (1?k _!)T 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 -Khb "AMsBvzgo 1.4.2自然增宽 C**kJ S[o R q 1.4.3碰撞增宽 R3} Z" i@`T_&6l 1.4.4多普勒增宽 fO$~jxR. b. oA}XP 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 &\s>PvnquX ~CL^% \K 1.4.6综合增宽 &|)
(lX `PvGfmYOl 1.5激光形成的条件 7( bE;(4 v0S7 ]?_ 1.5.1介质中光的受激辐射放大 f=*xdOB3 >l|dLyiae 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 0i65.4sK E|
=~rIKN 思考练习题1 IDr$Vu4LCW |&a[@(N:zf 第2章激光器的工作原理 k84 JDPu# &li&P5!i 2.1光学谐振腔结构与稳定性 'Z(4Wuwb 9:jZ3U 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 \m;"KyP+ [!E~pW%|n 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 *FEY"W+bY >VWH
bo 2.1.3稳定图的应用 _"#ucM=B:- YKs^aQm# 2.2速率方程组与粒子数反转 rC!~4xj- SgocHpyg 2.2.1三能级系统和四能级系统 &-1;3+#w f;
1C) 2.2.2速率方程组 &MsBcP[ ^atBf![ 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 O%(k$ fvM xkzC+ _A 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 =!%+ sem y~\K~qjd 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 (j ;6}@ ?krgZ;Jj 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 y}bE'Od H:HJHd"W 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 H|iY<7@ 4aQb+t, 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 13nXvYo' W!BIz&SY:- 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 m*S[oy& zbDM+; 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 va/$dD9 7}<05 7Xn' 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 9}2E + *0`oF TJ 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 ,@ Izx | VL(#U 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 )} H46 0UB,EI8 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 LGm>x 0-W{( xy@4 2.5激光器的损耗与阈值条件 Vuqm{bo^ uE6;;Ir#mF 2.5.1激光器的损耗 BEzF'<Z 6DG:imGl 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 Q7 Clr{& 3:h9c O/9 2.5.3阈值条件 a!>yX
ex [J|)DUjt 2.5.4对介质能级选取的讨论 5Go&+|c vJ Ppzd.=E 思考练习题2 \&p MF N@ >,gm@UU 第3章激光器的输出特性 #~r+ {g>k -. 3.1光学谐振腔的衍射理论 {<HL}m@kQ ,HxsU,xiG 3.1.1数学预备知识 #w4= kWJ[ l ^*GqP5 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 DVNGV =;/4j'1} 9 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 n#G
I& U 2>3gC_^go 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 X p=Y<`dX w`vJ E!4B 3.2对称共焦腔内外的光场分布 6.Nu[-? tZ]|3 wp 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 D@i,dPz5Zl U3 +{!}gn 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 DG x9 \8^ y#AwuC K 3.3高斯光束的传播特性 NW`.RGLI< :4 "SJ 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 fa #]G^ f ^IxT.g 3.3.2高斯光束的相位分布 _be*B+?2 t *=1;HN3 3.3.3高斯光束的远场发散角 R<gC,eV<= zn T85#]\@ 3.3.4高斯光束的高亮度 %:n1S]Vr {6v|d{V+e 3.4稳定球面腔的光束传播特性 "msCiqF{z A / N$ 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 WYQJ +z5 2sjP": 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 L!3AiAnr ~(tZW 3.5其他几种常用的激光光束 \`#;J?Y|`F [ IVT0
i 3.5.1厄米-高斯光束 &+-ZXN Tv<iHHp 3.5.2拉盖尔-高斯光束 %Yg;s'F>#q mf 'N4y% 3.5.3贝塞尔光束 <0T4MR7 CJ_X:Frj) 3.6激光器的输出功率 !Zb NW4rIP 0K 'lr;
3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 J p.Sow kx 'ncxN~ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 4:8#&eF J.:"yK"" 3.7激光器的线宽极限
/I
y U Q;t TI 3.8激光光束质量的品质因子M2 kwdmw_ #lQbMuR 3.9模式激光的某些一阶统计性质 ics $Trkow%F] 3.9.1单模激光的一阶统计性质 k0? 4vA g# :|Mjgh 3.9.2多模激光的一阶统计性质 -Q;5A;sr2 ?L#C 'Lz2+ 思考练习题3 2](R} )_b #c+ 第4章激光的基本技术 MC/$:PV {o7ib w=E) 4.1激光器输出的选模 A6}M F 0\wMlV`F 4.1.1激光单纵模的选取 /`0*!sN*5 P"_x/C(]@J 4.1.2激光单横模的选取 BD,JBu] z-uJ+SA 4.2激光器的稳频 _%!C;`3Y {$>*~.Wu 4.2.1影响频率稳定的因素 rx'},[b]3 <"/Y`/ 4.2.2稳频方法概述 JiP]F J; /^qCJp` 4.2.3兰姆凹陷法稳频 A$A7 F=x @y->4 `N 4.2.4饱和吸收法稳频 A,MRK#1u ;=hl !CB 4.3激光束的变换 8nQlmWpJ Gp$[u4-6M6 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 ~*Ve>4 eg) =^b 4.3.2高斯光束的聚焦 C;wN>H E JJ ,Fh
. 4.3.3高斯光束的准直 .%3b X K+F ~.AUy%$_g+ 4.3.4激光的扩束
b`E0tZcJ R+gh 2
6e 4.4激光调制技术 o&g=Z4jj< 5wRDH1z@{ 4.4.1激光调制的基本概念 ;e ()| (SoV2[| 4.4.2电光强度调制
k$}XZ,Q 1 @E<5rp o 4.4.3电光相位调制 {{f%w$r( CBs0>M/ 4.5激光偏转技术 5)V J
nq8mz I 4.5.1机械偏转 sqei(OXy @= 6} w_ 4.5.2电光偏转 >AV-i$4eQ@ ~({a j|Y 4.5.3声光偏转 `f* ?|) B!! xu 4.6激光调Q技术 W )q^ @6[d aT(Pf7
O 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q 0fXdE ;M3 #; E ,>0 4.6.2调Q原理 C $aiOK-]+ m=PSC Ib 4.6.3电光调Q <' -}6f3 U [c,cdA 4.6.4声光调Q 9HRYk13ae xRP#}i:m 4.6.5染料调Q f<uLbJ6 zbx,qctYo$ 4.7激光锁模技术 ! a ~>;+ D^04b< O<x 4.7.1锁模原理 QT9(s\u a>.2Q<1 4.7.2主动锁模 ;6L<Syl5 ~ra2Xyl 4.7.3被动锁模 @&S4j]rq \5k[ "8~ 思考练习题4 Y@TZReb TPq5"mco 第5章典型激光器介绍 my [ )/' $9+}$lpPd 5.1固体激光器 -mO[ ;l O /o.wCy,J< 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 EW0H"YIC Mm :6+ 5.1.2固体激光器的泵浦系统 ' ,a'r.HJH W.-[ceM 5.1.3固体激光器的输出特性 P@lExF*D1: V~&P<=8;Wl 5.1.4新型固体激光器 ;q6: *H / (Jo cnM|U 5.2气体激光器 4M6 o+ WV xFHc+m' m~ 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 Dsm_T1X +su>0'a 5.2.2二氧化碳激光器 IW
Lv$bPZ/ 'vhgR2/ 5.2.3Ar＋离子激光器 s)_7*DY 6QLWF @ 5.3染料激光器 )T(xQ2&r4 S M@l4GH 5.3.1染料激光器的激发机理 82YTd(yB ?2
u_E " 5.3.2染料激光器的泵浦 ?M;2H {KG: AVOzx00U 5.3.3染料激光器的调谐 f%a n<>j^w TCX* $ac" 5.4半导体激光器 f:B+R E O52 E| 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 .D-} 2<z Nw+0b4{ 5.4.2PN结和粒子数反转 )V!9& }wC
pr.@ 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 aM9^ V MOb go|/I& 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 ]ch cRc[!
PQa {5" 5.5其他激光器 e/6WhFN # Lf3Ri/@ p 5.5.1准分子激光器 %q;3b fq@N ,LSF@1|Fx 5.5.2自由电子激光器 !qV{OXdrB 'D1
T"} 5.5.3化学激光器 ;'` T d8C?m*3 J 思考练习题5 c;xL . U8c0N<j 第6章激光在精密测量中的应用 2Y(P hw2% QjWv? tm 6.1激光干涉测长 (8?t0}#t 8do]5FE 6.1.1干涉测长的基本原理 U-QK
}9/ 30 6.1.2激光干涉测长系统的组成 \tye:!a?;@ 8+k\0fmy 6.1.3激光外差干涉测长技术 lf4-Ci*X @g
}r*U? 6.1.4激光干涉测长应用举例 YjdCCju fZ`b~ZBwIj 6.2激光衍射测量 <K=:_ ZK [ 4 n5} 6.2.1激光衍射测量原理 'VS!< -;a}'1HOE 6.2.2激光衍射测量的方法 N$a LCX beRpA; 6.2.3激光衍射测量的应用 .5 p"o- :D W2O
=dG` 6.3激光测距 i~@e}= Fx0E4\- 6.3.1激光脉冲测距 89v9BWF Y#V`i K 6.3.2激光相位测距 >2x[ub%$L [M 65T@v 6.4激光准直及多自由度测量 q { ItTvL +7U$qEG 6.4.1激光准直仪 :;cKns0OA "EQ`Q=8 6.4.2激光衍射准直仪 p[4KN(PyK !X$e;V"HX 6.4.3激光多自由度测量 jut Eb@nog &p8b4y_ 6.5激光多普勒测速 3Wa^:8N 3lcd:= 6.5.1运动微粒散射光的频率 TppR \[4]
)o`|t 6.5.2差频法测速 NTASrh q(p]6Ha| 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 '`p#%I@ QFY1@2EC 6.6环形激光测量角度和角加速度 U$Z)v1&{ 2 DJs '"8 6.6.1环形激光精密测角 }xcA`w3u2? F.i*'x0u 6.6.2光纤陀螺 `wj<d>m /oKa?iT 6.7激光环境计量 .K]n< +zW bgq/]fI} 6.8激光散射板干涉仪 ~2+J] 8@I] &}_ $@ 思考练习题6 xa5^h]o H phvsre< 第7章激光加工技术 |=fa`8m G u&z5)i U 7.1激光热加工原理 btoye \ rl lK;|ciq"c7 7.2激光表面改性技术 piIj
t 0}}b\!]9 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 h}r .(MVt |l'BNuiU 7.2.2激光表面熔凝技术 i}"Eu<
P i%w[v_j 7.2.3激光熔覆技术 MKzIY:u g L}Nc kL 7.3激光去除材料技术 .`*h 2 70hm9b-
7.3.1激光打孔 @ px2/x ~iI4v#0 7.3.2激光切割 = i9|lU"Va mucKmb/ 7.4激光焊接 xo3bY6<n @c,Qj$\1 7.4.1激光热导焊 O(q1R#n-}+ Hj\>&vMf 7.4.2激光深熔焊 t M?3oO n=Qz7N (M 7.4.3激光复合焊 {WJ9!pA!lk 6+`+$s0 7.5激光快速成型技术 J:WO %P=Q 7bJAOJ'_ 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 jyB^a;- (j hD O7 7.5.2激光快速成型技术 $bSnbU < W
C z+ 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 >F7v'-*{ v t8z=O 7.6其他激光加工技术 ~Y ;_v U [HO=ii]Wb 7.6.1激光清洗技术 )~@iM.}S2 %*J'!PC9n 7.6.2激光弯曲 /A$mP)}tz BO]}E:C9 思考练习题7 cl3@+ v1 mtfEK3?2* 第8章激光在医学中的应用 ]1YyP Qn0 1ig
8.1激光与生物体的相互作用 Sy\ec{$+V] sUl/9VKl 8.1.1生物体的 光学特性 =?9z6= 1:{BC 2P 8.1.2激光对生物体的作用 6IRzm6d 1=NP=ZB 8.1.3激光对生物体应用的优点 Vm6
0aXm_ ?
}t[ 8.2激光在临床治疗中的应用 aG&ay3[& |, ws 3 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 Q--Hf$D]H f\c m84 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 c ow]qe6K ..u2IdEu 8.2.3激光在眼科中的应用 ^R;Qa#=2 +2&+Gh.h 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 Dx:2/ "v Wbra*LNU 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 ~m0l_:SF `)Z+]5: 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 b&iJui"7k 7R 4xJ H 8.2.7光动力学治疗 . |d2s $)(K7> P 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 XHX$Ur9 T1Gy_ G/ 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 6|{$]<' F@C^nX9 8.3.2激光断层摄影 +#$(>6Zu"{ Rq,ST: 8.3.3激光显微镜 +0&SXhy%y WJXQM[ 8.4医用激光设备 I[td:9+hK@ uW@o,S0: 8.4.1医用激光 光源 )'pc 1I >R&=mo~ 8.4.2医用激光传播用 光纤 Adyv>T9 P R{y84$ 8.5激光应用于医学的未来 +WGL`RP (txr%Z0E 8.5.1医用激光新技术 ,?zIt6Z OvFWX% uY 8.5.2光动力学治疗的前景 3 J{hG( 5 VlLc[eVV 思考练习题8 0nX.%2p#Je c"<bq}L7S 第9章激光在信息技术中的应用 ]t'bd <O 1Vden.H*CI 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 >WKlR` J% _jhdqON6E 9.1.1半导体激光器 Wd0$t }'o[6#_*X 9.1.2光纤激光器 QqS?- s3.,
N| 9.1.3光放大器 0 2_ 3 7!\ x>E**a?!L 9.2激光全息三维显示 ^mNPP:%iN @ Z50S 8 9.2.1全息术的历史回顾 *`(/wE2v] 0xNlO9b/ 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 C 6"bGA ]0g%)f uMf 9.2.3白光再现的全息三维显示 #h#Bcv0 Z UdSu:V | 9.2.4计算全息图 _tGR:E %5zztReI 9.2.5数字全息术 fK$N|r wG&+ *,} 9.2.6全息三维显示的优点 /G>reG,G wu2AhMGmw 9.2.7全息三维显示的应用 ~6hG "t]: H$
sNp\[{ 9.2.8全息三维显示技术的展望 )kE(%q:*P$ bnWKfz5 9.3激光存储技术 T21 SuM ,0~/ Cn
9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 vGk}r yL&_>cV 9.3.2激光光盘存储 HxVQeyOR K 7x, > 9.3.3激光体全息光存储 Q~'a1R ^z[-pTY 9.3.4激光存储技术的新进展 Kk^tQwj/QE >:Zl YZ6sI 9.4激光扫描和激光打印机 _n3Jf<Y ~YuRi#CTD: 9.4.1激光扫描 \E'Nk$V3 ?gSk%]S/! 9.4.2激光打印机 3,K*r"= {,5=U@J 9.5量子光通信中的激光源 UeRx ^ P80z@! 9.5.1量子光通信 SZ9xj^"g dwc$?Bg ,5 9.5.2量子态发生器及应用 $Xlyc.8YId Cf_Ik 思考练习题9 328(W AJ;Y Nb 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 |U_4 8 ?-F SDNQ 10.1激光核聚变 T#lySev ifu "e_^ 10.1.1受控核聚变 lPS A g~L1e5C]z 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 MwxfTH"wi ]|q\^k)JU 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 lQ%]](a6
yG0Wr=/<? 10.2激光冷却 HrA6wn\O ou44vKzS 10.3激光操纵微粒 kWfNgu$xK %*.;3;m 10.3.1光捕获 @o+T<}kW X [Cz.K?+#M 10.3.2微粒操纵 j$*]'s&_hZ DytOS}/^9 10.4超越经典衍射极限的分辨率 3zb;q@JV %PG::b 10.4.1解析延拓 ZkYc9!an Y Vgs( feGs 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 z[Kxy1, n=RAE^[ M 10.4.3傅里叶叠层算法 r^P}xGGK {6<7 M 10.4.4相干谱复用 NQ<~$+{ +G&h 10.4.5非相干结构光 照明成像 b?o T|@ }>xgz hd T 10.4.6超分辨荧光显微镜 $ 8w
eh3p oKTIoTb 10.5激光光谱学 w\Q3h`.
T\:3(+uK 10.5.1拉曼光谱 3V`K^X3 9AJ!7J#v" 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 \% Nhgg S* w\; =3C` 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 /U1GxX:P, $B4}('&4FQ 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 @yaBtZUp3 8Es]WR5
^ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 wC BL1[~C F|V_i C+ 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 ;,' ! ~GfcI:Zz & 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 3WJ> T1we 1 X2 oz 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 |Xd[%W) =rgWO n 8 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 _\"P<+! (k
M\R| 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 nl5K1!1 %> i7A?L 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 i TD}gC ,-c(D-& 思考练习题10 c0<Y017sG {H $\ , 附录A随机变量 8Mg4y1)RU f \~e& `PV A.1概率的定义和随机变量 V{Idj\~Jh 7^KQQ([ A.2分布函数和密度函数 *8/Q_ w FTCp3 g A.3推广到两个或多个联合随机变量 ]rn!+z ynM{hN.+ H A.4统计平均 A>>@&c:( Eg-b5Z); 附录B随机过程 "MC&!AMv ' QT(TF> B.1随机过程的定义和描述 'cw0FpQ; :v{ $ ]wg B.2平稳性和遍历性 PBn(k>=+ l,*Q?q 参考文献 7@EYF _gC<%6#V`r  (:+IS
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