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。 ^I W5c>;| r c++c,=  Ck1 {\=t jEh Px 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 k4T`{s}e wH]5VltUT1 1.1光的波粒二象性 A; _Zw[ qh9d .Q+n 1.1.1光波 )O+V ft&# "t0l)P*C} 1.1.2光子 Z=R 6?jU*n <cm( QNdcC 1.2原子的能级和辐射跃迁 POXd ,ON9 pTeN[Yu? 1.2.1原子能级和简并度 2 o)8 'Lp ==#mlpi`S[ 1.2.2原子状态的标记 -XASS% @tT2o@2Y^ 1.2.3玻尔兹曼分布 VEsIhjQ ?i{/iH~Sf 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 4yK{(!&i+ s@ 02 ?+/ 1.3光的受激辐射 WU$l@:Yo E4N /or 1.3.1黑体热辐射 i WGn4p' g{6FpuA|0 1.3.2光和物质的作用 l"zwH D?.H|% 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 t1`.M$ ;{lb_du2: 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 "L NLM \X2r? 1.4光谱线增宽 I|x?
K> J5!-<oJ/ 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 eC{St0 YMn*i<m 1.4.2自然增宽 P(%^ J6[> U3**x 5F_ 1.4.3碰撞增宽 0fJz[;dV>n {nPiIPH 1.4.4多普勒增宽 )TfX} *qZBq&7tb 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 "l 8YD&q =28ZSo^ 1.4.6综合增宽 :u]QEZ@@ Hk
f<.U 1.5激光形成的条件 eC3 ~| G_O &#zx/ $ 1.5.1介质中光的受激辐射放大 @+{F\SD\ -K (>uV!? 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 f"z; ' !o`riQLs> 思考练习题1 %At.nlss g4 3(N!@g 第2章激光器的工作原理 -}1TT@ 0`/CoP<U 2.1光学谐振腔结构与稳定性 \`0s %F:V} e sM r @Oc 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 ] JR2Av G dYQq. 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 MTip4L W9 @# =yC.s 2.1.3稳定图的应用 Kzx`
E>,z' Wl7S<>hg4 2.2速率方程组与粒子数反转 U 7''; w |It&1f z} 2.2.1三能级系统和四能级系统 Dz&,g+>$J V x{
2.2.2速率方程组 99tUw' w WMa` ! Q 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 J4x|Af p T/FZ n{I 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 VAo`R9^D# lc 3N i<3v 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 @\r2%M- 9#>nFs"H 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 $>7T s>8 nYR#Q| 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 ^T*!~K8A V r@tSc& 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 Qz89=#W Ob {Tn@ 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 6RG63+G +z[+ kir 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 `-JVz{z W] WH4.y 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 9 p,O>I AB{zkEuK 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 zwU1(?]I{ Xr:s-L 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 xs& xcR R" dBwoAq`' 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 uq/Fapl :`4F0 2.5激光器的损耗与阈值条件 ~MP |L?my artn _ 2.5.1激光器的损耗 FUf.3@ } 4K\o2p?4 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 Sl-9im1 D2GF4 %| 2.5.3阈值条件 1]9w9! j -k@1# c+z 2.5.4对介质能级选取的讨论 L [Ot$ A;^ i y]" 思考练习题2 4*L* "vKa Ms Bm0r`a 第3章激光器的输出特性 E[7E%^:Mg SME9hS$4 3.1光学谐振腔的衍射理论 as'yYn8 ?"^{:~\N 3.1.1数学预备知识 ^BM !TQ%! ' <xE 0< 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 cly} [<w! '9=b @SaAj 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 ,q>cFsY=i? jO/cdLK X( 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 g ?xD*3 < e(N},s:_ 3.2对称共焦腔内外的光场分布 `N&*+!O% wdAKU +tM 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 (w{T[ ~6 E
.28G2& 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 }*U|^$FEU tGgDS) 3.3高斯光束的传播特性 fm@Pa} , a5R.
\a<q 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 ,vO\n^ &F/-%l! 3.3.2高斯光束的相位分布 uI9*D) Kc95yt 3.3.3高斯光束的远场发散角 6PYm?i=p? G0|}s&$yL 3.3.4高斯光束的高亮度 FZO&r60$E 6T|Z4f| 3.4稳定球面腔的光束传播特性 g1|Py t{ ^N[ Cip}8 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 BWQ`8 qHp2; 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 :o ~'\:/ C 0 KFN 3.5其他几种常用的激光光束 b_a k@LYiu {lH'T1^m 3.5.1厄米-高斯光束 mI!iSVqr \O4s0* gw 3.5.2拉盖尔-高斯光束 uS,?oS K!Fem6R 3.5.3贝塞尔光束 vanV |O 1/m$#sz 3.6激光器的输出功率 ` kxC#
&HO MH#"dGGu 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 " acI:cl?, wn?oHz* 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 &Z[+V)6,, Z{BK@Q4z 3.7激光器的线宽极限 @--"u_[ zn 0y`9!n? 3.8激光光束质量的品质因子M2 @2L^? *n= ]W$G!(3A 3.9模式激光的某些一阶统计性质 t 6\H T0")Ryu 3.9.1单模激光的一阶统计性质 0?8>{!I 6WQN !H8+^ 3.9.2多模激光的一阶统计性质 W{ .:Cf9 )I 3E 思考练习题3 k kAg17 ^ HZ%V>8 8 第4章激光的基本技术 n}F$kyI V\x'w*FP 4.1激光器输出的选模 ']eN4H&=?} } =)u_q 4.1.1激光单纵模的选取 \fEG5/s}T H390<` 4.1.2激光单横模的选取 NZv 8# G gA:;f46 4.2激光器的稳频 %;h1n6=v2 J)B3o$ 4.2.1影响频率稳定的因素 r<1W.xd": Bo 8f52| 4.2.2稳频方法概述 lqv}~MC -e(<Jd_= 4.2.3兰姆凹陷法稳频 )s^gT]"N fqbeO 9x 4.2.4饱和吸收法稳频 l<uI-RX " BM:p)%Pv#P 4.3激光束的变换 $peL1'Evo N*|EfI|X 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 { 'A
15 NpZ'pBl 4.3.2高斯光束的聚焦 5]]QW3 ]X nar:5 4.3.3高斯光束的准直 75^* 4[ fJ.=,9:< 4.3.4激光的扩束 Od;k}u6;< K/C } 4.4激光调制技术 p gLhx c: OfB Wf6b 4.4.1激光调制的基本概念 6x(b/`V W > `eo 0 4.4.2电光强度调制 v"(6rZsa ^0>^5l'n 4.4.3电光相位调制 U&B(uk(2 ~h8k4eM 4.5激光偏转技术 W`_Wi*z4 B^dMYFelJ 4.5.1机械偏转 ]wV\=m?z& ~l'[P=R+8 4.5.2电光偏转 T<7}IH$6xE Q$.CtECo 4.5.3声光偏转 w/o8R3 F tQ; Fgv8Y! 4.6激光调Q技术 bHSoQ \ g=4P-i3 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q TTj] _R{n L!33` xef' 4.6.2调Q原理 F'{ T[MA 7e M6 B#rI 4.6.3电光调Q Lp$&eROFVs 502(C O> 4.6.4声光调Q 0W6= '7 x?{l<mc 4.6.5染料调Q =u9e5n S?v;+3TG 4.7激光锁模技术 QrmGrRH ]OKKR/: 4.7.1锁模原理 :X9;KoJl-V <]S
M$) =D 4.7.2主动锁模 o%]b\Vl6
& JLKHwi/ 4.7.3被动锁模 mp(:D&M T^|6{ S\ 思考练习题4 Q"pZPpl& ri"=)] 第5章典型激光器介绍 5 YIk 6S%KUFB+e 5.1固体激光器 GF<SQHL, p'/%" 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 #CeWk$)m S,+|A)\# 5.1.2固体激光器的泵浦系统 Vz,"vBds
9ys[xOh
WM 5.1.3固体激光器的输出特性 UG}"OBg/ fEK%)Z:0 5.1.4新型固体激光器 xW QQX gY-}!9kW] 5.2气体激光器 8.`5" 9Vh ]Ah<kq2sk 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 g ?% ]()E ]tK<[8Y 5.2.2二氧化碳激光器 J( ,gLl 'OYnLz`"6 5.2.3Ar＋离子激光器 #{bT=:3a x*^)B~7} 5.3染料激光器 It'PWqZtG OOus*ooo2 5.3.1染料激光器的激发机理 Mm"0Ip2" %`dVX
EO 5.3.2染料激光器的泵浦 )hA)`hL
F ` NvJ 5.3.3染料激光器的调谐 H8qAj @q" #.?>s 5.4半导体激光器 `@ Ont+ l=&Va+K 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 QbAEW m #k)J);&ZA 5.4.2PN结和粒子数反转 /EM=!@ka ? O
e, 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 W2,Uw1\:1 P.t7_v> 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 h4M >k{ R^4
j 0L 5.5其他激光器 9; pD0h| Mg^3Y'{o 5.5.1准分子激光器 -v WX L
pe`&zI_`? 5.5.2自由电子激光器 fJG!TQJ[Y {f% x8t$ 5.5.3化学激光器 2 4_/J Dz f'M7x6W 思考练习题5 O#D
N 3yu? +@C|u' 第6章激光在精密测量中的应用
A,|lDsvM $k3l[@;hE 6.1激光干涉测长 V)r6bb {^ =g^JJpS 6.1.1干涉测长的基本原理 bcprhb |S VL%agZ 6.1.2激光干涉测长系统的组成 ApAHa]Ccp <NX6m|DD 6.1.3激光外差干涉测长技术 e~BUAz %MUwd@,
6.1.4激光干涉测长应用举例 Jro%zZle T
.L>PL ?= 6.2激光衍射测量 #v 4q:&yKf Z0%Qy+% 6.2.1激光衍射测量原理 f9&po2Pzf {[.< BU- 6.2.2激光衍射测量的方法 < G:G/ !"x&t F 6.2.3激光衍射测量的应用 GSu&Z /Jo !+I!J
s" 6.3激光测距 ::rKW *? !@-g9z 6.3.1激光脉冲测距 FY;R0+N
L9)nRV8 6.3.2激光相位测距 % g*AGu` r$Ck:Q} 6.4激光准直及多自由度测量 b6UD!tXp .q7 o7J% 6.4.1激光准直仪 7vs>PV %CiZ>`5n# 6.4.2激光衍射准直仪 RBzBR)@5 )`.' QW 6.4.3激光多自由度测量 S+(-k0 7$* O+bkn: 6.5激光多普勒测速 !G3d5d2)C 9W <I~ 6.5.1运动微粒散射光的频率 7Z<ba^r} ^8yhx-mgb 6.5.2差频法测速 Jk!*j Ui`Z>,0sFi 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 r|tTD KGQ iv/! c Mb 6.6环形激光测量角度和角加速度 /Z*XKIU6v/ tk
<R|i
6.6.1环形激光精密测角 "R/Xv +; Z>H
y+Q4 6.6.2光纤陀螺 kW@,P.88 +M fdZD 6.7激光环境计量 !4f0VQI %kJ_o* " 6.8激光散射板干涉仪 g"iLhm` L A<VNt tgG 思考练习题6 &u'$q
o4"7i 9+g 第7章激光加工技术 >f$>Odqe C"P40VQoo 7.1激光热加工原理 BM&.Tw|x 3i'L5f67 7.2激光表面改性技术 X^U)j
N2 / b_C9'S 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 @ sAT#[j D^knN-nZ* 7.2.2激光表面熔凝技术 Q~A25Jf . S 6r$n 7.2.3激光熔覆技术 ;r_YEPlZ Wa {>R2h\ 7.3激光去除材料技术 xmEmdOoD n%>c4*t 7.3.1激光打孔 0]c 2 T 8_S<zE`Ha 7.3.2激光切割 <d GGH VE<&0d< 7.4激光焊接 0P<bS?e<l \lnps f 7.4.1激光热导焊 R)3P"sGuN <=
xmJx-V 7.4.2激光深熔焊 G02(dj SJRiMR_F~ 7.4.3激光复合焊 ]e'Ol$3U9= S&A, Q' 7.5激光快速成型技术 T k hu, yk4Huq&2 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 a+TlZE>8 ,{ C 7.5.2激光快速成型技术 rTi W&# %8 )GuxG* 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 J2BW>T!tuw 4Lo8Eue 7.6其他激光加工技术 O3JN?25s 0B^0, d(s 7.6.1激光清洗技术 ))"
*[ `,mE
'3& 7.6.2激光弯曲 m/)Wn 0jsU^m<g 思考练习题7 p4
#U:_ V=pg9KR!T 第8章激光在医学中的应用 jJc?/1 jv ,!BiB* 8.1激光与生物体的相互作用 (%huWW
j ef\Pu\'U 8.1.1生物体的 光学特性 ? 8g[0/ ;&Q8xC2 8.1.2激光对生物体的作用 )&"l3*x w z-9+VN6 8.1.3激光对生物体应用的优点 NrE& w H: 6% @@~" 8.2激光在临床治疗中的应用 /l Kgaq. hKq#i8py 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 t{ \FV@R ~V Z)LQ'7 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 f Z2>%IxG} *~F\k): > 8.2.3激光在眼科中的应用 gdupG %t&n%dhJ 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 A2{u("^[6 +$ KUy>
8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 )_P| _( Ht UFl 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 MS,J+'2 {{c/:FTEU 8.2.7光动力学治疗 cD&53FPXC 'u }|~u?m 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 >=|Dir G9 92{B 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 \IL/?J
5d hr&&"d {s 8.3.2激光断层摄影 5Z]z ul@+* P9~7GFas| 8.3.3激光显微镜 q -%;~LF /3F4t
V 8.4医用激光设备 %./ vh=5) gTE/g'3 8.4.1医用激光 光源 xS%Z
H#IJ&w| 8.4.2医用激光传播用 光纤 \|\ Dc0p} $Q,Fr;
B 8.5激光应用于医学的未来 6eSc `t& D" ^4X'6 8.5.1医用激光新技术 6-U+<[,x x SFY8 8.5.2光动力学治疗的前景 9ALE6 E 5D5 思考练习题8 L>~wc oB ~1&%,$fZ 第9章激光在信息技术中的应用 |~b.rKQt[ t\ J5np 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 L&O!"[++ rQ -pD 9.1.1半导体激光器 ',L>UIXw '_& Xemz 9.1.2光纤激光器 D_oGhQYY4 cn&\q.!fh 9.1.3光放大器 Wk$ 7< gkr +uMOT#KjR 9.2激光全息三维显示 j4j %r( uMl.}t2uYu 9.2.1全息术的历史回顾 UR|UGldt_T J-t5kU;L{ 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 = h,6/cs fHTqLYd- 9.2.3白光再现的全息三维显示 tZlz0BY! f/t1@d! 9.2.4计算全息图 <11 pk v a \ 5
9.2.5数字全息术 c , a+u ?4%'6R 9.2.6全息三维显示的优点 ?;!d5Xuu | =H*" ( 9.2.7全息三维显示的应用 as T:/z0 P6,~0v(S 9.2.8全息三维显示技术的展望 / /63?s+ x&qC~F*QR% 9.3激光存储技术 B. Rc s qMT7g LB'1 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 tFLdBv!=:^ d#yb($HAJ 9.3.2激光光盘存储 ]m} <0-0 C2RR(n=N^ 9.3.3激光体全息光存储 2_@vSwC pp{Za@j 9.3.4激光存储技术的新进展 ~e,k 71 Qhlgu! 9.4激光扫描和激光打印机 EU?)AxH^ b~?FV>gl 9.4.1激光扫描 '"C$E922 5 _X|U*+5 9.4.2激光打印机 |0 #J= am LX{[9 9.5量子光通信中的激光源 k fER =fmM=@!$< 9.5.1量子光通信 Dohq@+] O 5:(uD3] 9.5.2量子态发生器及应用 s' \PU1{ * B"p:F7J| 思考练习题9 v;.7-9c* s)B l1\Q 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 jt|e?1:vF ;WX)g&19x 10.1激光核聚变 bqEQP3t^ C.I.f9s?R 10.1.1受控核聚变 c>+l3&` uM"G)$I\ 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 y/t{*a
FHpS ?htRy 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 j'Ry.8} "N'tmzifh 10.2激光冷却 g:0-` ,[ + v. I|c 10.3激光操纵微粒 }RX[J0Prq~ {@K>oaZ 10.3.1光捕获 }3sj{:z{ !yAlb#yu 10.3.2微粒操纵 ZdbZ^DUR<( : vN'eL|# 10.4超越经典衍射极限的分辨率 "~~Js~ 0#}Ed Q 10.4.1解析延拓 !#0Lo->OO 5S4kn.3 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 PCzC8~t 9\9:)q 10.4.3傅里叶叠层算法 nNNs3h (Ss B"rV -,n { 10.4.4相干谱复用 G gmv(! k}T#-Gb 10.4.5非相干结构光 照明成像 0k"n;:KM8 KF^5 C 10.4.6超分辨荧光显微镜 7x8/Vz@\ !1
:%!7 10.5激光光谱学 +3]1AJa eZes) &4 10.5.1拉曼光谱 Db"jzMW. ,l-tLc 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 x6Q, $B (> O'^W\3p 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 ;T1OXuQ H4C ]%Q 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 AlP}H~|M7 eUP.:(E 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 9[ yW&t;# wc?`QX}I 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 OwhMtYq r8.R?5F@ 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 1?:/8l%V d/I ,` 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 3 [mVPV 5>z`==N) 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 G 3))3] 9 <qAf` 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 Nn/m e HRX }r $ 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 3 !W
M 'i Z DHm@,d 思考练习题10 +<#0V!DM VK>ZH^- 附录A随机变量 ~ m Av)JK u-v/`F2wN A.1概率的定义和随机变量 'ii5pxeNI {D6lS j A.2分布函数和密度函数 y8oqCe) pC=kv ve A.3推广到两个或多个联合随机变量 u7Z-kZ sa8Q1i&% A.4统计平均 1 Hw %DJ 0?@;zTE0 附录B随机过程 B?b dHO:E~ 2G=prS`s B.1随机过程的定义和描述 ck0K^o v W(~7e?fO B.2平稳性和遍历性 6uNWL `v bF_SD\/ 参考文献 "{TVd>9_ @\ udaZ c  o03Y w)* [g<rzhC~= （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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