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。 *p0Kw> 1 %8JMq\  0ax ;Q[z2 %Ix2NdC 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 |t~ *!0>3 06e dVIRr 1.1光的波粒二象性 dF><XZph 9XhcA 1.1.1光波 #^{%jlmHxJ \_x~lRqJJ 1.1.2光子 W3jwc{lj Vni U:A 1.2原子的能级和辐射跃迁 -""(>$b 2 q6}KOO ) 1.2.1原子能级和简并度 s8dP=_ ` Q na*K7kv 1.2.2原子状态的标记 0:JNkXZ: a n0n8l 1.2.3玻尔兹曼分布 Q/0o e()) iK!F VKi} 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 \h?6/@3ob $\q.Zb 1.3光的受激辐射 mpQu:i|W _9'hmej 1.3.1黑体热辐射 ^!z(IE' v#?;PyeF 1.3.2光和物质的作用 @w;$M]o1 FKUo^F?z 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 +J#8w h ^6J*:(eM 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 Ns]$+| *c
9 S. 1.4光谱线增宽 V9jxmu F, a#l ytp 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 Tv6y +l _-rC]iQJ55 1.4.2自然增宽 tu( ^D23 q] Kv.x]$R 1.4.3碰撞增宽 _Tm]tlV Uq~b4 X$ 1.4.4多普勒增宽 3D^c PkX 5 D=r7 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 ;WAa4r> !2>@:CKX 1.4.6综合增宽 LzD Ry L }9glr]= 1.5激光形成的条件 jo3(\Bq OMM5ALc(F 1.5.1介质中光的受激辐射放大 w=3
j'y{f yz,0
S' U 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 ?1zGs2Qs pe<T" [X 思考练习题1 eoXbZ V.6p fL 第2章激光器的工作原理 *? $ M=tH HA7%8R*.2i 2.1光学谐振腔结构与稳定性 hn\d{HP .Z#/%y3S 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 qHtIjtt[q R$66F>Jz^ 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 z 2jC48~ "R=~-, ~ 2.1.3稳定图的应用 J i:<eRx) _!!Fg%a5"R 2.2速率方程组与粒子数反转 &W c$VD C KV8<'g +2? 2.2.1三能级系统和四能级系统 \WbQS#Z9 *A4eYHn@ 2.2.2速率方程组 8Lgm50bs OZd
(~E 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 gF rNk
Uqp >]&Ow9- 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 Yi)s=Q : KU*aJl_n, 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 .gzfaxi G
"!v)o 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 g<,0kl2'S O1)\!=&
. 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 )B)f`(SA"< aWH 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 n\V7^ N {qbe
ye! 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 rGXUV`5Na Sk 1t~ 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 9thG4T8 vC `SD] 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 ("r:L<xe& ^Il*`&+?P 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 ,G5[?H;ZN yP>025o't 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 8D,*_p &"I csxG 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 B /w&Lo Y YP J (o\ 2.5激光器的损耗与阈值条件 m{?f,Q=u@ M8<Vd1-5 2.5.1激光器的损耗 ?w'86^_z U%q6n"[
Cr 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 |2@*?o"ll AO]cnh C 2.5.3阈值条件 OXb ShA&1 @ \XeRx; 2.5.4对介质能级选取的讨论 DcdEt=\)h hV0fkQ.| 思考练习题2 3+s$K(% I D>@NY qMF 第3章激光器的输出特性 1JfZstT **kix 3.1光学谐振腔的衍射理论 3l41"5Fy& R LMn&j|?e 3.1.1数学预备知识 rF"p7 qP<D9k> 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 4oueLT(zc gGU KB2) 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 >5:O%zQ@ ^V#,iO9.- 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 !|i #g$ q~[s KAh 3.2对称共焦腔内外的光场分布 ~IjID \`xlD&F@U 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 b =_k)h+l 5B4/2q= 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 G $MEVfd" F]UH\1 3.3高斯光束的传播特性 Q= fl!>P xk%
62W 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 e @anX^M; ) y;7\-K0 3.3.2高斯光束的相位分布 ow{. iv\,u ,!^5w,P: 3.3.3高斯光束的远场发散角 2M'dT Xz )Hmf=eoc 3.3.4高斯光束的高亮度 ,NS* `F[O z]+L= +,, 3.4稳定球面腔的光束传播特性 /OzoeI t }UB@FRPF 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 z|D*ymz*EY =urGs`\ 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 wN4#j}C M?%x= q\< 3.5其他几种常用的激光光束 uHSn Z"# `(0B09~7 3.5.1厄米-高斯光束 -Z$u[L [c ]kTx Ve 3.5.2拉盖尔-高斯光束 ybE 2N #IM .7`I 3.5.3贝塞尔光束 9yC22C: |&rCX fC 3.6激光器的输出功率 I*3}er T n *=#jL 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 {#k[-\|; s{yw1: 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 o?hr>b "^\q{S&q2P 3.7激光器的线宽极限 }0Ns&6 )xG [A!w 3.8激光光束质量的品质因子M2 Dz6x x? GgG #]a!_f 3.9模式激光的某些一阶统计性质 eOE*$pH Rt+ -ud{O 3.9.1单模激光的一阶统计性质 ji1vLu4|t WXY '%G 3.9.2多模激光的一阶统计性质 t j[E !
r.\L@Y< 思考练习题3 jTcv&`fA z (;},~( 2B 第4章激光的基本技术 A,c XN1V Y -a 4.1激光器输出的选模 h7UNmwj gE#'Zv {7 4.1.1激光单纵模的选取 MkPQ@so &b tI# 4.1.2激光单横模的选取 h&$h<zL[ C'#)mo_@t 4.2激光器的稳频 BA]$Fi.Mw g=56|G 7n 4.2.1影响频率稳定的因素 w&aZ 97{ Xi98:0<= 4.2.2稳频方法概述 ?!U[~Gq ]$[sfPKA 4.2.3兰姆凹陷法稳频 S-7&$n nOGTeKjEJ 4.2.4饱和吸收法稳频 Ptv'.<- '% QCNO/ 4.3激光束的变换 Ec@n <KK# -$Hu $Y}> 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 k6;bUO o Q,&Li+u| 4.3.2高斯光束的聚焦 RDp akzGJ3g 4.3.3高斯光束的准直 "+ou!YK+ WR"D7{>tw 4.3.4激光的扩束 eM J>gXA] -V|"T+U 4.4激光调制技术 qJ rT j ) 6 4.4.1激光调制的基本概念 "s(~k E5bVCAz 4.4.2电光强度调制 }|kFHodo l?U=s7s0? 4.4.3电光相位调制 AAevN3a#nI :hX[8u 4.5激光偏转技术 \g39>;iR <h7cQ 4.5.1机械偏转 VI&x1C 6QX m] <
4.5.2电光偏转 E^axLp>(I J +u}uN@ 4.5.3声光偏转 6st
(j&: 4.6激光调Q技术 /*mF:40M; FPDTw8" B; 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q [ >O!~ *9aJZWf>V 4.6.2调Q原理 |`5 IP8Z '+PKGmRW 4.6.3电光调Q 2X?GEO]/4 f~`=I NrU 4.6.4声光调Q lM6pYYEq= kOY Uxr.b 4.6.5染料调Q &0F' Ca to'7o8Z 4.7激光锁模技术 u5(8k_7 wGc7 4.7.1锁模原理 }Y~Dk ]* 7>JTQ CJ 4.7.2主动锁模 ky2 bj}"p9 lK0ny>R B 4.7.3被动锁模 .A2$C|a* b dgkA 思考练习题4 /T w{JO#Q v`HE R6 第5章典型激光器介绍 HZyA\FS , QY$:f< 5.1固体激光器 gxv^=;2C z0[XI 7KK 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 * NmY] $9)os7H7 5.1.2固体激光器的泵浦系统 a5 D|#9 bn(N8MFCV 5.1.3固体激光器的输出特性 )U@9 dV7u N~v6K}`} 5.1.4新型固体激光器 B>,e HXW ~||0lj.D 5.2气体激光器 -50DGA,K6 j9p6 rD 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 oP&/>GmXL &9L4
t%As 5.2.2二氧化碳激光器 !+GYu;_ 2Y
vr|] \8 5.2.3Ar＋离子激光器 uU H4vUa U'fP 5.3染料激光器 )9]a M.W
X&;> 5.3.1染料激光器的激发机理 X3 .zNHN5 wPlM=
.Hq? 5.3.2染料激光器的泵浦 Hn|W3U cHjQwl 5.3.3染料激光器的调谐 Pe`(9&iT. ;qshd'?* 5.4半导体激光器 <J/ =$u/ AI|vL4*Xd 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 Y6` xb ` Z>hTL_|]a{ 5.4.2PN结和粒子数反转 VmS_(bM 4Yj1Etq.E 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 2Ez<Iw 82r8K|L.<y 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 F9K%f&0 a M<vPE4TIr* 5.5其他激光器 qE[S>/R" Ds9)e&yYrb 5.5.1准分子激光器 !nv wR Q # @R0$x 5.5.2自由电子激光器 F B]Y~;( $%bSRvA 5.5.3化学激光器 Xka REE YvR bM 思考练习题5 ARH~dN* C O2w-nd74U 第6章激光在精密测量中的应用 ~iL^KeAp
O)'CU1vMb 6.1激光干涉测长 f1 ; O0 'iq^g 6.1.1干涉测长的基本原理 g`Z=Y7jLH CMt<oT6.? 6.1.2激光干涉测长系统的组成 iC"iR\Qu c+Q'4E0 | 6.1.3激光外差干涉测长技术 }w0 pi &7L7|{18 6.1.4激光干涉测长应用举例 CIudtY(: MmF&jd-= 6.2激光衍射测量 0SQ!lr *uvM6F$ut 6.2.1激光衍射测量原理 19 !?oeOU p~D}Iyww1_ 6.2.2激光衍射测量的方法 $0])%
9vI~v l l 6.2.3激光衍射测量的应用 fvu{ (Tb ?CpVA 6.3激光测距 R\j~X@ vI ohx[_}xN 6.3.1激光脉冲测距 77> oQ~q ]aX@(3G1s 6.3.2激光相位测距 N /4E
~^2 c6h?b[] 6.4激光准直及多自由度测量 { bj!]j DT-VxF6 h 6.4.1激光准直仪 {6i|"5_j X\^ nV 6.4.2激光衍射准直仪 9` in
r.: 56V|=MzX ] 6.4.3激光多自由度测量 wJp<ZL ?cU,%<r 6.5激光多普勒测速 a"Qf ?UnQ?F(+G< 6.5.1运动微粒散射光的频率 7;>|9k 4G&`&fff] 6.5.2差频法测速 a4Q@sn;] GVY7`k"km 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 >eJ <-3L; zsL@0]e& 6.6环形激光测量角度和角加速度 H C iRk1 fz'qB-F
Y 6.6.1环形激光精密测角 c_8&4 }b_O b 6.6.2光纤陀螺 I8xdE(o8+ %:3XYO.w- 6.7激光环境计量 _w^, j" n0(Q / 6.8激光散射板干涉仪 e@D_0OZ HNzxF nh 思考练习题6 pH '_k k 4X kI? l 第7章激光加工技术 *22Vc2[i; p9v:T1 ? 7.1激光热加工原理 A3]A5s6 ASqYA1p. 7.2激光表面改性技术 )+ .=z z. Cj%N 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 lM- 9 J?j #g{R +#fm 7.2.2激光表面熔凝技术 =?5)M_6) * EWWN?d 7.2.3激光熔覆技术 c^}y9% 4c 0Lo8pe`DH 7.3激光去除材料技术 EU[\D; ?=1eHnP!R 7.3.1激光打孔 \|=6<ZY: W[2]$TwT 7.3.2激光切割 :_e[xB=Yy o1AbB?%= 7.4激光焊接 TgiZ
% G 'D\X$^J^ 7.4.1激光热导焊 9q'9i9/3d nI:M!j5s` 7.4.2激光深熔焊 *.W3V ; K ^exU]5nvz 7.4.3激光复合焊 uw;Sfx,s 4H{t6t@-: 7.5激光快速成型技术 PR8nJts W5 {&5lZ<nu8A 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 gd;!1GNi] \<{a=@_k9 7.5.2激光快速成型技术 \jfK']P/H ~I|| "$R 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 &'uP?r9c$ h;V 4|jM 7.6其他激光加工技术 .a4,Lr#q. (`(D
$% 7.6.1激光清洗技术 8t!jo.g ^/C\:hw 7.6.2激光弯曲 u*C*O4f>OC P:{Aq n~zR 思考练习题7 <>HtXn/ N/tcW 第8章激光在医学中的应用 LG[N\%<!H q?!HzZ 8.1激光与生物体的相互作用 `~XksyT E'x"EN 8.1.1生物体的 光学特性 0'o[ 2, 8iI p[9~= 8.1.2激光对生物体的作用 D{(}&8a9 #/oH #/? 8.1.3激光对生物体应用的优点 T}f o wg FX')l: 8.2激光在临床治疗中的应用 e bBi zc= _dKMBcl)E 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 DTO_IP T]th3* 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 XvI~"} +[76 _EXy 8.2.3激光在眼科中的应用
p9"dm{ yr xX[Hg?@ 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 M-@RgWvF Ph^1Ko" 2 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 ,
>7PG2
a %9cT#9!7 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 ,C,nNaW uWJJ\ 8.2.7光动力学治疗 8?Rp2n*o 'V]C.`9c 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 ~vXbh(MX 8&JB_%Gb 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 eha|cAq r^m&<)Ca 8.3.2激光断层摄影 L6h<B
:l gvI!Ice# 8.3.3激光显微镜 p7QZn.,=u &g;!n&d zP 8.4医用激光设备 |R.yuSL)( [q|W*[B:@ 8.4.1医用激光 光源 v~ SM"ky# +zh\W9 8.4.2医用激光传播用 光纤 )Fx]LeI; S%- kN; 8.5激光应用于医学的未来 Gwk$<6E tK;xW 8.5.1医用激光新技术 v@E E rF FO*Gc
Z 8.5.2光动力学治疗的前景 !7DDPJ~ x$q} lJv_ 思考练习题8 k9%o{Uz y W5Jw^,iPd 第9章激光在信息技术中的应用 sSU|N;"Y -J3~ j kf 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 _0+X32HjJ b ? o 9.1.1半导体激光器 Y# }qXXZ>] hJ(vDv% 9.1.2光纤激光器 JU 17]gQ l qfTF 9.1.3光放大器 ^=eC1 bQA #
>k|^*\ 9.2激光全息三维显示 +j{Cfv$do -6+7&.A+ 9.2.1全息术的历史回顾 &{e ]S!D TVNgj.`+u! 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 'i% r WkXgz6 P 9.2.3白光再现的全息三维显示 P o58@g MsXw
8D 9.2.4计算全息图 0!,u o\` ~Yk n|$_"I 9.2.5数字全息术 l7g'z'G a Vu!Qk=Z/ 9.2.6全息三维显示的优点 E !ndXz 59 &%rM| 9.2.7全息三维显示的应用 # ][i!9$ fJlNxdVr 9.2.8全息三维显示技术的展望 `,6|6.8# di/Q Jrw
9.3激光存储技术 S46aUkW. d Gp7EB` 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 0BDw}E\ 2]vTedSOl 9.3.2激光光盘存储 & :l-;7d Y'iI_cg 9.3.3激光体全息光存储 u{DE OhtI4 d1/WUKmbZ 9.3.4激光存储技术的新进展 MS\vrq'_ ~yJ 2 @2I 9.4激光扫描和激光打印机 {A/^;X{N^ ~)f^y!PM Q 9.4.1激光扫描 bg Ux &3 b7>'ARdbzX 9.4.2激光打印机 ['o ueOg {R ),7 U8 9.5量子光通信中的激光源 $6 Q^u r: VaD+:b4 9.5.1量子光通信 3aq'JVq 6C&&="uww 9.5.2量子态发生器及应用 CFh9@Nx b;b,t0wS 思考练习题9 J-
S.m( 1<G+KC[F 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 o{y}c-> '{AB{)1 10.1激光核聚变 Z jmQ jTR?!Mt 0 10.1.1受控核聚变 74M 9z @#4-4.6I<x 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 Sy VGm@ E<\$3G-do 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 YHEn{z7 ! $$>D" 10.2激光冷却 \I!mzo bvtpqI QZ 10.3激光操纵微粒 o=YOn&@% {[2o 10.3.1光捕获 ]QaKXg)3q 8)0]cX 10.3.2微粒操纵 ?z1v_ Jh cR3d& /_,U 10.4超越经典衍射极限的分辨率 \o!3TK"N V^,gpTyv* 10.4.1解析延拓 S[K5ofV uHI(-!O 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 w1G(s$;C dQ8RrD=$& 10.4.3傅里叶叠层算法 <(KCiM=E$ 5 e+j51 10.4.4相干谱复用 :gV~L3YW5 /u$'=!<b; 10.4.5非相干结构光 照明成像 `2 <:$] x1 eC r_ 10.4.6超分辨荧光显微镜 4<-Kd~ uL .rK0C ) 10.5激光光谱学 QH-CZ6M M )ET 1ZM 10.5.1拉曼光谱 %NQ%6 B 6X@z(EEL 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 hH`x*:Qja Be|! S_Y P 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 zgGysjV r)|~Rs!y, 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 4fKvB@O@. 9} 6 _B| 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 %k#+nad q8$t4_ pF 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 j~N*T XkC ATkd# k%S 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 $L^%*DkM fo,0NxF9 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 9Q1%+zjjMq ?V2P]| 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 X]y8-}Qf 5 0MM05aC 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 [^
}$u[ \s#~ %l 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 >2s 6Y -
jZAvb 思考练习题10 ''9]`B,:a0 0HWSdf| w 附录A随机变量 k)3N0]q6 R%3yxnM* A.1概率的定义和随机变量 fZ-"._9UyH TIJH} Ri A.2分布函数和密度函数
\uT lwS US)i"l7:H* A.3推广到两个或多个联合随机变量 V<9L-7X 8 Tg^8a,Lt A.4统计平均 ^Z)7Z%
O ?>+uO0*S 附录B随机过程 >IS4 -dovk?'Gj
B.1随机过程的定义和描述 LhAN ( [ FC+-|1?C B.2平稳性和遍历性 IER;d\_V< 2@M pWj4 参考文献 Y A,. C4=s yr},pB  "=Z=SJ1 D <9&GOaJ （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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