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。 Q&`if
O LB\+*P6QM  WT '?L{ 4NDT5sL 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 shuoEeoo =2OLyZDI 1.1光的波粒二象性 b{(= C
3
["BD,mB 1.1.1光波 fqm-?vy} DTN)#G CtF 1.1.2光子 m
?#WQf (X/dP ~ 1.2原子的能级和辐射跃迁 P; V5f8r? cL+bMM$4r~ 1.2.1原子能级和简并度 b~Un=-@5a %d ^ =$Q 1.2.2原子状态的标记 $TY 1'#1U; M-zqD8D 1.2.3玻尔兹曼分布 FB }8 u!TMt8+c 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 /7&WFCc)( nq 9{{oe 1.3光的受激辐射 a "!r]=r =v6qr~ 1.3.1黑体热辐射 kn= fW1 XGSg x 1.3.2光和物质的作用 m~R Me9Qi K-Fro~U 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 H]PEE!C;xC k. ?@qCs[ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 NxrfRhaU3 [;$9s=:[ 1.4光谱线增宽 cL^r^kL("
D[Kq` 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 H|s,; 1# &H:2TL! 1.4.2自然增宽 6fV;V:1 { z w}Wm4OH 1.4.3碰撞增宽 tE]Y=x[Ux UUR` m 1.4.4多普勒增宽 -m_H]<lWZ wj-z;Y CV 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 G%XjDxo$I iu'At7 1.4.6综合增宽 ;hCU y=m. _.+2sm 1.5激光形成的条件 ~pPj pe>[Ts`2F 1.5.1介质中光的受激辐射放大 *x@.$=NF" `Oe"s_O# 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 2SJ|$VsLaE #OVS ]Asn} 思考练习题1 W3]?>sLE* 6rh^?B 第2章激光器的工作原理 VL/KC -6 gi
JjE 2.1光学谐振腔结构与稳定性 {LqahO* a
n|bzG 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 * %w8bB ?;ovh nY) 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 (dQsR sA 2i~zAD' 2.1.3稳定图的应用 ?7\$zn)v# e<duD W$X 2.2速率方程组与粒子数反转 DNGj8 1'c ?xYoCn}Z 2.2.1三能级系统和四能级系统 Tw@:sWC g%%j"Cz1 2.2.2速率方程组 jI4 5X22j /(?,S{] 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 b
=R9@! P"<,@Mn 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 hDD]Kc;G^1 #jT=;G7f2 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 I@l }%L y /OPN<=* 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 /<)kI(gf Bw4 _hlm 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 ebIRXUF}> 'I5~<"E 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 z~\Y*\f^Y3 O"m(C[+ [ 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 4j}uVGi{e CkEbSa<)hK 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 6
u}c543 Gp}}M Gk 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 e3}o3c_ 6w*q~{"( 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 );1UbqVPD ,xuA%CF-S 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 T )"U q on)$y&lu 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 ZGC*BP/ >;Vy{bL8 2.5激光器的损耗与阈值条件 W'f)W4D$6 X$9
"dL 2.5.1激光器的损耗 H@V+Q} /..a9x{At> 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 Qcs >BOV~ A&7~] BR\ 2.5.3阈值条件 [hXnw'Im/ g<jgR*TE` 2.5.4对介质能级选取的讨论 EbMG9 lWWy|r'il 思考练习题2 SZL('x,"^ BM_Rl cx~ 第3章激光器的输出特性 =SpD6
9-H u>h|A(< 3.1光学谐振腔的衍射理论
Vc?=cQ'c 2t 1u{ 3.1.1数学预备知识 #*x8)6Ct 3p#BEH<re 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式
hp!. P1b UQ.DKU g 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 vz}_^8O Bxs0m] 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 3FhkK/@ , B||8W 9 3.2对称共焦腔内外的光场分布 z3(:a' 0uwe,; 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 : Mzkm^7B pPnJf{ 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 boWaH}?0' XpoEZ|0 3.3高斯光束的传播特性 kbKGGn4u Ub% 1OQ 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 .|x" '3 # O YayTKxN 3.3.2高斯光束的相位分布 JF-ew"o<E Yb=Z `) 3.3.3高斯光束的远场发散角 U[WR?J4~LX ,n\'dMNii 3.3.4高斯光束的高亮度 >gGdzL }S}9Pm,: 3.4稳定球面腔的光束传播特性 e'L$g-;>4b k(%h{0' 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 Gz@/:dW^vZ )]P%= 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 z2Kvp"-} 9w08)2$ Na 3.5其他几种常用的激光光束 P DtLJt$ -:NFF' 3.5.1厄米-高斯光束 bZ_vb? n J~(M%]
&k^ 3.5.2拉盖尔-高斯光束 {*Tnl-m~ iIO_d4Z 3.5.3贝塞尔光束 ra>jV E0 ` !K5D:x 3.6激光器的输出功率 HV kq{W|w GjG t'
m* 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 mCQn '{) 5"o)^8!> 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 2nA/{W\ hC [ r;hF 3.7激光器的线宽极限 ?VP07
dQTe F` "bMS 3.8激光光束质量的品质因子M2 V1!;Hvm]+ Q]"u? Q] 3.9模式激光的某些一阶统计性质 G@I/Dy ,~^BoH} 3.9.1单模激光的一阶统计性质 M@?,nzs
K 0 4wO9L; 3.9.2多模激光的一阶统计性质 HDV$y=oHh vivU4:uH3 思考练习题3 (cLcY %$ ~n ) <L7 第4章激光的基本技术 q>H f2R ?84B0K2N s 4.1激光器输出的选模 <$ oI ^,WXvOy 4.1.1激光单纵模的选取 jpI =B /\C5`>x 4.1.2激光单横模的选取 f{j (H?5 JMIS*njq^ 4.2激光器的稳频 >wJt# ZB )mvD2]fK 4.2.1影响频率稳定的因素 A:5B6 Z qsTB)RdjP% 4.2.2稳频方法概述 AKkr
)VgY B9Y*'hmI 4.2.3兰姆凹陷法稳频 6Lh fb\2? wS%aN@ay3 4.2.4饱和吸收法稳频 whdoG{/ 'X@>U6s 4.3激光束的变换 p@Ng.HE u/g4s ( a 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 ;*=M I/"N $yY\[C 4.3.2高斯光束的聚焦 LA%t'n h hf Q x$cv6 4.3.3高斯光束的准直 >t Ll|O+ 6}xFE]Df-Y 4.3.4激光的扩束 $Z!7@_Ys _(.,< R5 4.4激光调制技术 yB~` A >~M C. rLog# 4.4.1激光调制的基本概念 =i:6&Y~VGq O!=ae| 4.4.2电光强度调制 pg:1AAhT[ ~+r "% KnG 4.4.3电光相位调制 NL76 jF nm.~~h+8M 4.5激光偏转技术 3duWk sERC % @9pn1, 4.5.1机械偏转 n 0*a. yw3E$~ k 4.5.2电光偏转
~DJ >)pp 1P1"xT 4.5.3声光偏转 SC 6cFyp2 a$K.Or} 4.6激光调Q技术 5^W},:3R JDA :)[; 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q `3KXWN`.s qh<h|C ]V 4.6.2调Q原理 %/r}_V(UN '.8E _Jd0E 4.6.3电光调Q KNZN2N)wR O?I~ XM'S 4.6.4声光调Q
4gRt^T-? )1!jv! 4.6.5染料调Q
{Hp*BE
5C^oqUZ 4.7激光锁模技术 paG^W&`; ?-g/hXx; 4.7.1锁模原理 5`?'}_[Y j Aa#WhF 4.7.2主动锁模 W@( EEMhw I8RPW:B; B 4.7.3被动锁模 5 u=(zg ]*M-8_D 思考练习题4 ?9)-?tZ^Q (E.,kc AJ 第5章典型激光器介绍 6AW{qU6 Cb5Rr +K= 5.1固体激光器 |9X $@R 3TDj WW;#~ 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 i{9_C/ |_7AN!7j 5.1.2固体激光器的泵浦系统 H ]X Y :"pA0oB 5.1.3固体激光器的输出特性 kkz{;OW
+U :U/c5Z^ 5.1.4新型固体激光器 =d{B.BP( {xGM_vH1 5.2气体激光器 v9t26>{~ y]veqa 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 <+tSTc4>r !&n'1gJ)kd 5.2.2二氧化碳激光器 \9%SR ~ P!apAr 5.2.3Ar＋离子激光器 g2&%bNQ-5 yi*2^??`
1 5.3染料激光器 dV( "g], ky^p\dMh 5.3.1染料激光器的激发机理 b,8\i|*!f ~rN:4Q]/ 5.3.2染料激光器的泵浦 a->;K+ z~S(OM@olJ 5.3.3染料激光器的调谐 Pr%Y!| TB GN',, 5.4半导体激光器 ey~5DY7 yyj?hR@rZ 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 ][jW2;A
X(`wj~45VX 5.4.2PN结和粒子数反转 srh>"
2." |\ls TY&2 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 8)w xc1 @]r l2Qqe 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 *K<|E15 , 0Q]ZS 5.5其他激光器 T;f`ND2fY Fbpe`pS+V 5.5.1准分子激光器 xE2sb* /s'7[bS v 5.5.2自由电子激光器 'K L" i \%qzTk.&r 5.5.3化学激光器 r\+0J` Cm~Pn "K_] 思考练习题5 *u i !|; 1 ^x "P #u 第6章激光在精密测量中的应用 PLkwtDi+& RWe$ZZSz! 6.1激光干涉测长 ,#u"$Hz8p |[ RoR 6.1.1干涉测长的基本原理 a+U^mPe A *$JF>`7 6.1.2激光干涉测长系统的组成 _{]\} =@ nD8 Qeem@ 6.1.3激光外差干涉测长技术 *v' d1.Z kgq"b) 6.1.4激光干涉测长应用举例 pn:) Rq0 ] WsQ= 6.2激光衍射测量 |8bqn^@$t ?YeUA =[MC 6.2.1激光衍射测量原理 s#8mD !T| IpJMq^ Z 6.2.2激光衍射测量的方法 $j +RUelFY ji|+E`Nii 6.2.3激光衍射测量的应用 [{i"Au] VP7g::Ab 6.3激光测距 wb#ZRmx} k3HPY}- 6.3.1激光脉冲测距 R;G"LT #{m~=1%;Ya 6.3.2激光相位测距 K~C6dy
StuQ} 6.4激光准直及多自由度测量 a7]wPXKq d;4LHQ0yU 6.4.1激光准直仪 Yq$K YB j 2ncD,@ij 6.4.2激光衍射准直仪 ^Uj\s / _5t~g_(1OK 6.4.3激光多自由度测量 uPmK: 9]3R u6B, V 6.5激光多普勒测速 @26gP:Um i-<1M |f 6.5.1运动微粒散射光的频率 DV8b<) ty W5k(> 6.5.2差频法测速 |g$n -t |#>:@{X< 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 eTeZ^G 6SJr yf~w 6.6环形激光测量角度和角加速度 '4"9f]: NMM$
m!zg 6.6.1环形激光精密测角 A (2\Gfe RZ6[+Ygn 6.6.2光纤陀螺 mSg{0 _: XK";-7TZt 6.7激光环境计量 [f1'Qb I*SrK Zb 6.8激光散射板干涉仪 @MoBR. 'o!{YLJ fM 思考练习题6 MR?5p8S#g AgBXB%). 第7章激光加工技术 Bh#?:h&f xpO'.xEs 7.1激光热加工原理 fK0VFN8<I =^9I)JW 7.2激光表面改性技术 J [k,S(Y Hdn%r<+c 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 P,eP>5 5'K _ddOsg|U 7.2.2激光表面熔凝技术 <27:O,I kA"|PtrW 7.2.3激光熔覆技术 l B(E:{6OZ Qvx[F:#Tk 7.3激光去除材料技术 OxC8xB;` )Z=S'm
k4_ 7.3.1激光打孔 AW R <Wwcd8d 7.3.2激光切割 Qms ,kX S#:y l>2 7.4激光焊接 t |5T,YFG w Avnj 7.4.1激光热导焊 K!+IRA@ }#<mK3MBe 7.4.2激光深熔焊 *B 3 4 auai@)v6 7.4.3激光复合焊 9K6G % FB>^1B]] 7.5激光快速成型技术 JQ~[$OGH |c)hyw?[Y 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ;k=&ZV og~Uv"&?T 7.5.2激光快速成型技术 #3_t}<fX @CUYl* .PD 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 h 3`\L4 b ,pHQv(K/ 7.6其他激光加工技术 z *w.A=r d$gT,+|vu 7.6.1激光清洗技术 +@"Ls P (X3}&aLF 7.6.2激光弯曲 F*, e,s u(Kof'p7 思考练习题7 "T4buTXJ yW)&jZb"( 第8章激光在医学中的应用 xe&w.aBI> EW~M,+? 8.1激光与生物体的相互作用 s$wIL//= NRI @M 5 8.1.1生物体的 光学特性 `Q !#v{ 1KMSBLx 8.1.2激光对生物体的作用 %ZR<z$ O}3|UI!` 8.1.3激光对生物体应用的优点 y7ZYo7avg TCL XO 0 8.2激光在临床治疗中的应用 hR+\,P#G[ |6O7_U#q 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 >At* jg48 "2=v:\~= 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 r^v1_u, 1I -FGM>~x 8.2.3激光在眼科中的应用 hqW),^\>' /_ D_W,#P 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 'o]k Op@q Iy#=Nq= 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 O\+b1+&b3Y
M/J?$j 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 F.cKg~E|e /iw$\ F |8 8.2.7光动力学治疗 VxAG= E 'D:R]@eK] 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 R
KXhD PA xS+!/pBf"Y 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 wec_=E qK0 |*%i]@ V= 8.3.2激光断层摄影 d^+0=_[PmK 0$B X 8?Z 8.3.3激光显微镜 P\ia ?9 < ;lwvO 8.4医用激光设备 H# /Hs# c\le8C3 8.4.1医用激光 光源 +'0V6 \y 7ND4Booul 8.4.2医用激光传播用 光纤 re) 7h$f} V.-cm51I 8.5激光应用于医学的未来 ' >k1h.i ,}:}"cl 8.5.1医用激光新技术 JI[{n~bhGD d<cqY<y VA 8.5.2光动力学治疗的前景 < #zd]t Y&j'2!g 思考练习题8 VVw5)O1' vyvb-oz;u 第9章激光在信息技术中的应用 +n>p"+c L _Xbca= 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 v |R#[vtFd |)y-EBZe\" 9.1.1半导体激光器 &Lbh?C rtdEIk 9.1.2光纤激光器 gE9x+g jct'B}@X( 9.1.3光放大器 yioX^`Fc(~ 0[f[6mm%m 9.2激光全息三维显示 %uz6iQaq]X pnTz.)'46 9.2.1全息术的历史回顾 rpUTn!*u/ zSagsH |W 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 &N*l ?7( meYGIP:n 9.2.3白光再现的全息三维显示 H5(: 1 cI'su? 9.2.4计算全息图 ?
=I']$MH 9\VV++}s>o 9.2.5数字全息术 Oe21noL .cz7jD
9.2.6全息三维显示的优点 n )P qA* G2&,R{L6w 9.2.7全息三维显示的应用
s&iu+> XZ<8M}Lg 9.2.8全息三维显示技术的展望 b%].D(qBy \c1>15 9.3激光存储技术 v0( _4U]/ 8p#V4liE 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 (6i4N2 deEc;IAo 9.3.2激光光盘存储 -^JPY)\R B r6tgoA 9.3.3激光体全息光存储 |-TxX:O- XUA %3Xr 9.3.4激光存储技术的新进展 q|
UO]V n5y0$S/ D 9.4激光扫描和激光打印机 M5 P3; ?:6w6GwAA 9.4.1激光扫描 >D Ai-`e Z>~7|vl 9.4.2激光打印机 )" ]( ?V
%' /^[j# 9.5量子光通信中的激光源 |Y v,zEY) @O|`r(le 9.5.1量子光通信 o(C;;C(*{ Z4 g<Ys* 9.5.2量子态发生器及应用 >` <qa !9 $h[Q }uW 思考练习题9 U,lO{J [T z'*{V\ 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 y(O~=S+< `~D{]'j 10.1激光核聚变 kG5Uc8 3#G ^\r{72!y 10.1.1受控核聚变 R 5\|pC I|Mw*2U 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 _YN
C}PUU ( C.a Q)|T 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 ^O}J',Fm%f Cq[Hh #q 10.2激光冷却 U;M ! jj xZ(d*/6E 10.3激光操纵微粒 Sbeq%Iwm. z /nW; ow 10.3.1光捕获 |E;+j\ 30<_` 10.3.2微粒操纵 6!8uZ>u%Vg ""m/?TZq' 10.4超越经典衍射极限的分辨率 ,t!I%r R+2~ %|{d 10.4.1解析延拓 K L*+gq0k 79I"F' 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 mex@~VK `6 BQ6)7 10.4.3傅里叶叠层算法 |XMWi/p 7I*rtc&Kb 10.4.4相干谱复用 5H, (\Xd KUC%Da3 10.4.5非相干结构光 照明成像 [[xnp;-; {1+me E 10.4.6超分辨荧光显微镜 q E8Di\? 9<
S 10.5激光光谱学 b`ksTO`}x m_FTg)_= 10.5.1拉曼光谱 c~}FYO$
y|NY,{ :] 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 *1T~ ruNqa 7K+eI!m.s 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 1bHQB$%z l< '}` 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 D_G]WW8 d[*NDMO 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 4q(,uk&R[ _ q
AT%. 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 [{#n?BT kWs:7jiiu 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 Y![8-L|Q ad9u;uS 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 %IDl+_j /iJsa&W} 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 ~}SQLYy7Z = )4bf"~8 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 qk>M~, c(Fo-4K 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 ]\]mwvLT %eGD1.R 思考练习题10 &B++ "f [?(q hp! 附录A随机变量 ]7RK/Zu i 9*Fc+/ A.1概率的定义和随机变量
bjN"H`Q )Y"t$Iw" A.2分布函数和密度函数 | !1iLWQ FI)0 .p A.3推广到两个或多个联合随机变量 '#~Sb8
,mK UCG A.4统计平均 ~ H"-km"@ Q5IN1
^=HF 附录B随机过程 &(jt |?{ Z m(}~C29 B.1随机过程的定义和描述 ha9 d z Q8h=2YL B.2平稳性和遍历性 i e7TO{W ej&o,gX 参考文献 H>"P]Y)oX q!q=axfMD  3 wfJ!z-E8 o[S
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