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。 %0MvCm
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BuU!  *)| EWT?, P
=jRof$ 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 [/+}E X <{Pr(U*7} 1.1光的波粒二象性 }9FAM@x1K& *]#(?W.$w 1.1.1光波 d>wpG^"w qH9bo-6 1.1.2光子 5?=haGn $E,,::oJ 1.2原子的能级和辐射跃迁 :g~X"C1s 6VQe?oh 1.2.1原子能级和简并度 ">|G^ @|:A [~v 1
1.2.2原子状态的标记 nPRv.h v\}s(X(J 1.2.3玻尔兹曼分布 xr o%AM , VYUQE>\
1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 w40 -K5wt> Wq"5-U;:w 1.3光的受激辐射 !$Whftg ar[I|
Q_ 1.3.1黑体热辐射 M8y:FDX `ttqgv\ 1.3.2光和物质的作用 +v{g' M7PG s-l 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 41XS/# M$* 9,J^tN@ ^ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 ui .riD[,O ;%`oS.69 1.4光谱线增宽 d #vo)> AQU^7 O 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 <oKoz0! !V~,aoKTj 1.4.2自然增宽 ODFCA.
t sgfci{~ 1.4.3碰撞增宽 4 >`2vb u_ *DS- 1.4.4多普勒增宽 Vm]xV_FOd j#rj_ uP 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 3 [r9v!l /BQB 7vL 1.4.6综合增宽 3k_bhK zI SCq:jI 1.5激光形成的条件 W20 H4!G CY</v,\:# 1.5.1介质中光的受激辐射放大 {^*K@c A9 ;!\Wo 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 Usl963A#'F {7Qj+e^ 思考练习题1 lK"m |Z m4_ZGjmJM 第2章激光器的工作原理 (,XbxDfM N/x]-$fl 2.1光学谐振腔结构与稳定性 0U&@;/? ttd
^jT 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 TJ_pMU 8~j 1 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 %/}46z9\ E5QQI9ea 2.1.3稳定图的应用 vT {+Z\LL= A81'ca/ 2.2速率方程组与粒子数反转 ,p)Qu%' *o}7&Hw#9f 2.2.1三能级系统和四能级系统 }MIg RQ9 1haNpLfS> 2.2.2速率方程组 B6-1q&
E / ^|UD&6 dx 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 4'# ?"I |7)oX 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 *b,4qMr 77H" = 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 ;)23@6{R% `6RR/~kP( 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 1{-yF :A wBI>H
7A 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 )s|o&aP> :-tMH02c 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 pg.BOz\'q HAm AmEc, 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 @bF4'M MG:eI?G/' 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 ;:1o|>mX `R x\wfr} 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 0) ]?@"j :6jh*,OHZl 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 C$4!|Wg3 !X4m6gRaP 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 HlOn=>)< nduUuC IY. 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 i9eE/
. NCivh&HR 2.5激光器的损耗与阈值条件 @kW RI* m Q" G;L 2.5.1激光器的损耗 L>&9+<-B Mhu|S) hn 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 #<DS-^W! 1O2jvt7M 2.5.3阈值条件 ']U<R=5T$ vLIaTr gz 2.5.4对介质能级选取的讨论 F% z$^ m- _sK{qQxvM= 思考练习题2 N(`XqeC*
<.=-9O6 第3章激光器的输出特性 ,t
+sw4 qF Xx/FZ 3.1光学谐振腔的衍射理论 3QDz9KwCAw Ya;y@44 3.1.1数学预备知识 Z '~Ie~ G=PX'dS 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 9`tSg!YOh tE<'*o' 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 .'bhRQY C#TP1~6 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 1ZY~qP+n+ +!mEP> 3.2对称共焦腔内外的光场分布 {gb` %J /vs79^& 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 @pl h 'f} #ri;{d^6 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 HcM/ RT<HiV r` 3.3高斯光束的传播特性 0i(c XB yof8L WXx 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 2
ZyO z) x.6 3.3.2高斯光束的相位分布 n d }Z[) M9~6ry-_ 3.3.3高斯光束的远场发散角 ]]P@*4! <"yL(s^u" 3.3.4高斯光束的高亮度 ?2,{+d | ZF@$3 3.4稳定球面腔的光束传播特性 ajW2HH*9}A x/0loW?q^ 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 sGx3O i .Nk5W%7]= 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 |nBs(>b o,RiAtdk 3.5其他几种常用的激光光束 Aw&0R" { Nu euCiP 3.5.1厄米-高斯光束 .' NTy
R <R? S 3.5.2拉盖尔-高斯光束 og&-P=4O MlR ]+ ] 3.5.3贝塞尔光束 J,J6bfR/ {DZ xK( 3.6激光器的输出功率 9"zp>VR [eFJ+|U9 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 J-qUJX~4c qRHT~ta-? 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 4v` G/w _*E j3=u 3.7激光器的线宽极限 -us:!p1T Pn l}<i 3.8激光光束质量的品质因子M2 |g'ceG- Z !3R 3.9模式激光的某些一阶统计性质 &Q* 7 qkqtPbQ 7 3.9.1单模激光的一阶统计性质 Dus!Ki~8(t 5?[hr5E.E 3.9.2多模激光的一阶统计性质 Eihy|p I%NeCd 思考练习题3 @^/aS;B$> 2#ZqGf .'v 第4章激光的基本技术 gq@8Z
AWn nu Vux5: 4.1激光器输出的选模 R{ u dV 8Ltl32JSB[ 4.1.1激光单纵模的选取 _-rC]iQJ55 tu( ^D23 4.1.2激光单横模的选取 q] Kv.x]$R C DoD9Hq, 4.2激光器的稳频 'Va<GHr>+ 5~ZzQG 4.2.1影响频率稳定的因素 o2cc3`*8d ,U)&ny 4.2.2稳频方法概述 K v)} Uf
M Q?(, 4.2.3兰姆凹陷法稳频 *Ms &WYN- !c dY`f6x 4.2.4饱和吸收法稳频 QN|=/c<U o1"N{ Eu 4.3激光束的变换 OMM5ALc(F 9 hssI ZO 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 ={f8s,m)P, #c":y5: 4.3.2高斯光束的聚焦 6}VFob#h8 1W iz0X/ 4.3.3高斯光束的准直 _#MKp H yPY{ZADkQ 4.3.4激光的扩束 Y]5spqG s T "q] 4.4激光调制技术 &n#yxv4 {> 8?6m- 4.4.1激光调制的基本概念 K|OPtYeb e]CoYuPr 4.4.2电光强度调制 D _ 1O4/ GgnR*DVP$ 4.4.3电光相位调制 zG8g}FrzG; ?#fm-5WIi 4.5激光偏转技术 k2tSg JW W-gu*iZ6& 4.5.1机械偏转 *A4eYHn@ 8Lgm50bs 4.5.2电光偏转 w^("Pg` 0igB pHS 4.5.3声光偏转 ly35n` r ;MFVj{ 4.6激光调Q技术 BvH?d]% +S[3HX7H 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q 1e7I2g IF-y/] 4.6.2调Q原理 #
5U1F[ #HW<@E 4.6.3电光调Q ez.a 6GPI
gP L, 4.6.4声光调Q mQR9Pn} H A_Wa RYG 4.6.5染料调Q hvQXYo>TZx V"'PA-z3 4.7激光锁模技术 ,hT.Ok={36 E/*&'Osq 4.7.1锁模原理 &xhwOgI #, , ,n g]&%i 4.7.2主动锁模 A 0U9,M Pr(@&:v: 4.7.3被动锁模 )J 0h\ky a wvP;F?q| 思考练习题4 h_+ >iRkhA=Vg 第5章典型激光器介绍 EU>`$M&w- +4 Pes 5.1固体激光器 >KvK'Mus/ y Vm>Pj6 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 iU37LODa2T Crg'AB? 5.1.2固体激光器的泵浦系统 3 u4Q!U%(D l'aCpzf 5.1.3固体激光器的输出特性 ZTz07Jt ciiI{T[Z 5.1.4新型固体激光器 -W<1BJE %=Z/Frd 5.2气体激光器 DcdEt=\)h hV0fkQ.| 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 3+s$K(% I D>@NY qMF 5.2.2二氧化碳激光器 1JfZstT **kix 5.2.3Ar＋离子激光器 3l41"5Fy& R LMn&j|?e 5.3染料激光器 X-kOp9/. #v xq|$e 5.3.1染料激光器的激发机理 q t*+ D XD|g G 5.3.2染料激光器的泵浦 l
v hJ s</ qT6@ 5.3.3染料激光器的调谐 z F.@rXl M}# DX=NZc 5.4半导体激光器 ^ r(My} _8
|X820 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 kaB4[u X~c?C-fV 5.4.2PN结和粒子数反转 3Cc#{X-+ : S_]!'H 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 %dg [ho 25-h5$s 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 )X[2~E _/no WwVu 5.5其他激光器 -X~ |jF ~'KqiUY 5.5.1准分子激光器 RK &>! ^ /*,_\ ; 5.5.2自由电子激光器 .6azUD4 @`:X,]{ 5.5.3化学激光器 o!K DeY L*[3rqER 思考练习题5 ->{-yh]jv @x+2b0 b 第6章激光在精密测量中的应用 @r/~Y]0Ye5 X_hDU~5{wC 6.1激光干涉测长 (B eJ,K7 -|KZOea 6.1.1干涉测长的基本原理 ,r;xH}tbi 'u;O2$ 6.1.2激光干涉测长系统的组成 &k%>u[Bo b NVeL$' 6.1.3激光外差干涉测长技术 !=,Y=5M, ">z3i`#C' 6.1.4激光干涉测长应用举例 N\ ! Ch G7>4:\ 6.2激光衍射测量 p\ ;| Z+0= CL4N/[UM 6.2.1激光衍射测量原理 %}VH5s9\ p ZTrh&I] 6.2.2激光衍射测量的方法 ($[+dR ,Q7;(&x~ 6.2.3激光衍射测量的应用 @|DQZt DI{ *E 6.3激光测距 Q'jw=w!|g t 'Wv? , 6.3.1激光脉冲测距 @|vH5Pi uI/
wR! 6.3.2激光相位测距 "O4A&PJD * /n8T]s 6.4激光准直及多自由度测量 @ CmKF u/u(Z& 6.4.1激光准直仪 A!B.+p[ G p|ink): 6.4.2激光衍射准直仪 @nY]S\if V>`ANZ4 6.4.3激光多自由度测量 V+ O,y9 x~!|F5JbM 6.5激光多普勒测速 ^D$|$= |DH KaNs> [a8 6.5.1运动微粒散射光的频率 ~!
-JN}H m R; c9)>8L 6.5.2差频法测速 ^0OP&s;" \ }?X5X> 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 WqCC4R,- c_D(%Vf5 6.6环形激光测量角度和角加速度 ]2wxqglh) tO3R&"{ 6.6.1环形激光精密测角 .PUp3 X- D! [v{0 er 6.6.2光纤陀螺 Qw}1q!89 E>|X'I?r^ 6.7激光环境计量 P.,U>m yQD>7%x 6.8激光散射板干涉仪 Z_\p8@3aH a,c!#iyl3 思考练习题6 +y?Ilkk;j :lcq3iF n 第7章激光加工技术 nTEN&8Y>R xf]K 7.1激光热加工原理 a4__1N^Qj 67II9\/ 7.2激光表面改性技术 T`ibulp ,|({[ 9jA 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 9qB0F_xl ^es] jng` 7.2.2激光表面熔凝技术 3N2d V6u &vp KB R ^ 7.2.3激光熔覆技术 U%nkPIFm "tz u.V- 7.3激光去除材料技术 P2-&Im`+ FvxM 7.3.1激光打孔 bP&Q Fc YNEwX$)M,B 7.3.2激光切割 J~k9jeq9 l<`> 7.4激光焊接 J,2V&WuV0r N]A# ecm 7.4.1激光热导焊 8s0+6{vW f<Hi=Qpm 7.4.2激光深熔焊 +(3_V$|Dv o8bd L< 7.4.3激光复合焊 ; Y?MbD 9{to PED 7.5激光快速成型技术 TN2Ln? [xU -Uwxmy + 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ai{>rO3 }I 7Q}pKq]P 7.5.2激光快速成型技术 t~) P1Lof\ BNu >/zGpB 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 ~zqb{o^ pT +WH\,E 7.6其他激光加工技术 ]ordqulq1 @Jzk2,rI 7.6.1激光清洗技术 ]:|B ). Z7;V}[wie 7.6.2激光弯曲 fK J-/{| 8D='N`cN+ 思考练习题7 .-KI,IU )/T[Cnx.Nc 第8章激光在医学中的应用 :
uncOd. k{}> *pCU 8.1激光与生物体的相互作用 >
N~8#C b2m={q(s 8.1.1生物体的 光学特性 EhcJE;S) I\~[GsDY 8.1.2激光对生物体的作用 i+Z)` b(iF 0U>& 8.1.3激光对生物体应用的优点 XcVN{6-z 1)ue-(o5 8.2激光在临床治疗中的应用 i5VZ,E^ E D|:'|7l W 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 /e F@a! QNj]wm=mp 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 B/twak\ ?d7,0Ex
P 8.2.3激光在眼科中的应用 KGz Nj% G{U#9 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 )^>LnQ_u hsC T:1i 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 3gA %Q`" 3U[O : 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 nf.Ox.kM) Y{YbKKM 8.2.7光动力学治疗 De?VZ2o9" AkhG~L 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 s g2 ;"E@ \T7Mt|f:5 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 17LhgZs& m{\
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k 8.3.2激光断层摄影 ov6xa*'a y> I2}P 8.3.3激光显微镜 x/* lNG/ )l3Uf&v^f 8.4医用激光设备 ;J %:DD 3:)z+#Uk6 8.4.1医用激光 光源 )GD7 rsC`< %~u]|q<{ 8.4.2医用激光传播用 光纤 hFrMOc& F2"fOS 8.5激光应用于医学的未来 WyN
;l Id `|dyT6V0I_ 8.5.1医用激光新技术 $%bSRvA M 5dYcCDE 8.5.2光动力学治疗的前景 66yw[,Y pgU [di 思考练习题8 /0s1;? sp Edq} 第9章激光在信息技术中的应用 ci0A!wWD kK6O ZhLH 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 G@]3EP hZ&KE78? 9.1.1半导体激光器 H>~ CL @\K[WqF$$q 9.1.2光纤激光器 rB>ge]$. mQ"~x] 9.1.3光放大器 '7iz5wC# @DN /]P 9.2激光全息三维显示 >jm(2P(R
`m,4# P-kj 9.2.1全息术的历史回顾 Z)?$ZI@ ?uWUs )9 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 1"h"(d A cgnNO& 9.2.3白光再现的全息三维显示 \DB-2*a" ]C_+u_9 9.2.4计算全息图 o! a,r3 = sJ?]U 9.2.5数字全息术 \J'}CX*aQ T{{:p\<]_ 9.2.6全息三维显示的优点 tsXKhS;/w YQMWhC,8hy 9.2.7全息三维显示的应用 mZ)>^.N6 wKJG 31I^ 9.2.8全息三维显示技术的展望 (s};MdXIz RSX27fb4 9.3激光存储技术 |RX#5Q>z c~ss^[qx| 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 @N*|w
Kc+ Uh }PB3WZ 9.3.2激光光盘存储
.-gJS-.c 57\ 0MQO 9.3.3激光体全息光存储 RvzZg %) WAu>p3
9.3.4激光存储技术的新进展 c -w #` t7=D$ua 9.4激光扫描和激光打印机 ' zyw-1 8$( I! ; 9.4.1激光扫描 gZ @ +62 I G1];vX 9.4.2激光打印机 , \4]uZ< T{dQ4
c 9.5量子光通信中的激光源 &
3#7>oQ 3>O|i2U 9.5.1量子光通信 #2tmi1
ya dGKo!;7{ 9.5.2量子态发生器及应用 +%dXB&9x|Z E7L qa
S 思考练习题9 ">V1II
7 U>S 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 "@V yc6 L q BEp |V 10.1激光核聚变 (r|m&/ T#!>mL|9| 10.1.1受控核聚变 0 R6:3fV6R ( bwD:G9 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 wZvv5:jKpu Wjb_H
( D 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 Be6Yh~m 35\ |#2qw6 10.2激光冷却 $1f2'_`8~ p -4$)w~6i 10.3激光操纵微粒 K%q5:9 m E&U_1D9=L< 10.3.1光捕获 | {9<%Ok4P S<Dbv? 10.3.2微粒操纵 \|=6<ZY: W[2]$TwT 10.4超越经典衍射极限的分辨率 :_e[xB=Yy (W} F \P 10.4.1解析延拓 3$?6rMl@y KC;cu %H 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 : ld~ 9 IuwE&# 10.4.3傅里叶叠层算法 4]o+)d.`( qTJhYx m 10.4.4相干谱复用 y:'Ns$+ :[0 R F^2} 10.4.5非相干结构光 照明成像 C;W@OS-; s6H.Q$3L 10.4.6超分辨荧光显微镜 wQ 33Gc g=Z52y`N < 10.5激光光谱学 QjTS bHtH s%)f<3=a 10.5.1拉曼光谱 ifD WN*k6 "6B@V=d 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 V}y]< j uF9:Eah 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 56;u 7 :nx+(xgw 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 wf 8{ v h/EIFve 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 u8-6s+
O (*S<2HN5 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 u)@:V)z pGs?Y81
10.6.1电磁波的正常多普勒效应 ciS +.%7 NLy4Z:&{ 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 M9iX_4 H^d?(Svh 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 /.]u%;%r[ E ; Z(v 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 +ktv : d &gCGc?/R# 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果
S kj G} u
W]gBhO$O 思考练习题10 .W{CJh a_b#hM/c; 附录A随机变量 aC1z.?!U p%DU1+SA A.1概率的定义和随机变量 V0;"Qa@q I=! kPuw A.2分布函数和密度函数 u} du @Aq 4R'CL N
|t A.3推广到两个或多个联合随机变量 u@Hz7Q}
P 7O55mc>cF A.4统计平均 #Z1%XCt d6n_Hpxw^ 附录B随机过程 }O\IF}X T AG@Ab B.1随机过程的定义和描述 ?t 'V5$k\ 48:xvTE?N B.2平稳性和遍历性 hO"!q;<eS aM~IRLmK 参考文献 T=PqA)Ym h$8h@2%  Sr
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