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。 'n=D$j]X l;ugrAo?  p#w,+)1!d L [^e< I 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 s] q fLC C*$/J\6xy 1.1光的波粒二象性 -Y6JU iDA`pemmi& 1.1.1光波 NZ#z{JI =+ :c>,=FUT 1.1.2光子 vzU %5, sYL+;(#t 1.2原子的能级和辐射跃迁 )L?Tq"hy 711 z- 1.2.1原子能级和简并度 nz(OHh!}u $FoNEr&q 1.2.2原子状态的标记 31}6dg8?n 3 f 3?%9 1.2.3玻尔兹曼分布 9M6&+1XE _Cs.%R!r 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 rr*IIG&.5 eNNK;xXe# 1.3光的受激辐射 l xeolDl U*Q$:%72vO 1.3.1黑体热辐射 #KIHq2:.4 SFjN 5u 1.3.2光和物质的作用 nm)F tX|A l"+=z.l6; 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 \%)p7PNY D`ZYF)[}J 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 z) ydQw> /N $T[ 1.4光谱线增宽 $I.'7
&h; q nOAIP:0 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 cj[y]2{1h > 7n(* M 1.4.2自然增宽 uwbj`lpf `
p) #! 1.4.3碰撞增宽 @'S-nn,sO $V[ ob 1.4.4多普勒增宽 A9"ho}< 6wGf47 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 *ce h
]v wm} i+ApK 1.4.6综合增宽 xd* kNY @A:Xct 1.5激光形成的条件 <+6)E@Y rIXAn4,dTv 1.5.1介质中光的受激辐射放大 WPPmh~: Eq|_> f@@8 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 Z@ 1rs# 9N9;EY -U 思考练习题1 t ({:TQ :5ji.g* 0 第2章激光器的工作原理 N(D_*% 96 ~($h9* \ 2.1光学谐振腔结构与稳定性 n04Zji(F@ /vBp R m 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 RJ0w3T]7 "Li"NxObCA 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 1:8ZS C\1Dy5 2.1.3稳定图的应用 . uh P ( Mq$e5&/ 2.2速率方程组与粒子数反转 xC|7"N^/ <h( t W 2.2.1三能级系统和四能级系统 s{gdTG6v` Up8#Nz
T 2.2.2速率方程组 +YP,LDJ!v }v`5
2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布
MgA6 /k 7dAa~!/( 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 ZMbv1*Vt (}'0K? 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 pZXva9bE Zd042
% 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 #*5A]" k x6m21DW w 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 R`Q9|yF\ !}U&%2<69 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 h " j{B t lc&Wx 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 &Jq ?tnNd f.Jz]WXw,
2.4非均匀增宽介质的增益饱和 rqifjsv [5> 0om5 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 H"m^u6Cmy- =xg pr*
2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 9^XT,2Wwf YYN= `ST 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 dKhDO` .s H~fZA)W 4Y 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 ]^R;3kU4Q }]kzj0m 2.5激光器的损耗与阈值条件 ;4%^4<+3 *joM[ML` 6 2.5.1激光器的损耗 t-e:f0iz flnoK%wi 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 R aKL KZn @32JM S< 2.5.3阈值条件 C}%g(YRhb X]M)T 2.5.4对介质能级选取的讨论 a~WtW] 3}2'P C 思考练习题2 &*r YY\I 5_#wOz0u$ 第3章激光器的输出特性 LsoP >vJG ~}(}:#>T 3.1光学谐振腔的衍射理论 aOETms w kF`2%g+ 3.1.1数学预备知识 /(5 SJ(a > }Za) 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 Jr|"` f%V }qRYXjS 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 vA*!8 2 RKx"
}<#+ 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 N.l+9L0b %TP0i#J 3.2对称共焦腔内外的光场分布 ['Hl$ 2 j ^3^n|T7le 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 P_
U[OM\ +m^ gj:yL 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 UzWf_ r =LC:1zn4 3.3高斯光束的传播特性 aTxss:7] TkM8GK-3 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 :D""c* Vr+X!DeY 3.3.2高斯光束的相位分布 g:7S/L0] <j+DY@* 3.3.3高斯光束的远场发散角 c_"]AhV~Mg olB?"M=H 3.3.4高斯光束的高亮度 5B< em m0DD|7}+ 3.4稳定球面腔的光束传播特性 b3N1SC:Wn kI<;rP1S| 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 d="Oge8 -~n^ ?0 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 dDK4I3a 1Rg tZp% 3.5其他几种常用的激光光束 [" TUSf ] l 8qCg/ew 3.5.1厄米-高斯光束 d"`/P?n x Uus%1hC%a 3.5.2拉盖尔-高斯光束 hd0d
gc Xn@\p 5< 3.5.3贝塞尔光束 SaceIV %( {]B PSj{B 3.6激光器的输出功率 VRV *\*~$ |Ii[WfFA|J 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 C,r[ H5G# pBl'SQccp 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 k<(G)7'gm T5H[~b|9- 3.7激光器的线宽极限 5tfD*j n Aj#bhv 3.8激光光束质量的品质因子M2 Jmg<mjq/G Yz7H@Y2i 3.9模式激光的某些一阶统计性质 {BPNb{dBKr 3>asl5 4 3.9.1单模激光的一阶统计性质 H2[VZ&Pg p)2
!_0 3.9.2多模激光的一阶统计性质 pn"TFapJA IC"lsNq52 思考练习题3 %:Mi6 sR| eYNu 78u 第4章激光的基本技术 ggn C #$
ja !K2^ 4.1激光器输出的选模
h.T]J9;9 8G3C Q]G 4.1.1激光单纵模的选取 jR1t&UD3Y ', +YWlW 4.1.2激光单横模的选取 ^EtBo7^t
$[(amj-;l 4.2激光器的稳频 ?|,dHqh{nM W3Gg<!*Uo 4.2.1影响频率稳定的因素 3QS A| q~:H>;:G- 4.2.2稳频方法概述 *ay&&S* OeMI 4.2.3兰姆凹陷法稳频 @}K |/ O2;iY_P7lV 4.2.4饱和吸收法稳频 sk aPC#u [7Fx #o=da 4.3激光束的变换 lB)%s~P:s )WWqi,T} 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 +|0f7RB+R p zr\<U` 4.3.2高斯光束的聚焦 ~t=73 fwB =: fN 4.3.3高斯光束的准直 dlv1liSXL5 fl@=h[g#t 4.3.4激光的扩束 }^Ymg7wA mM#[XKOC< 4.4激光调制技术 W0-KFo.' v[l={am{/ 4.4.1激光调制的基本概念 vM3 b\y p } ;{Qx 4.4.2电光强度调制 +jD*J tb< vQH 6CB" 4.4.3电光相位调制 } R&5Ye qX9x#92 4.5激光偏转技术 ] S0t K g$/C-j4A[ 4.5.1机械偏转 I@/s&$ H`l tRZA`& 4.5.2电光偏转 2 #jBh xcHuH -} 4.5.3声光偏转 #jqcUno q 3 nF\Me0 4.6激光调Q技术 UwtL v d eo [eN. 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q -prc+G,qyp < C1Jim 4.6.2调Q原理 :aHLr[ %Mz R3bHX%T 4.6.3电光调Q X~2L ;h ~v,h 4.6.4声光调Q QKHAN{hJ w<|Qezi3
w 4.6.5染料调Q dbsD\\,2%N 5 >x?2rp 4.7激光锁模技术 7Zw.mM!i 9ao GptgN 4.7.1锁模原理 1@Gmz h
6%A_PP3Z 4.7.2主动锁模 w,x'FZD <=Z`]8 4.7.3被动锁模 ]jRaR~[UN 7=@3cw
H 思考练习题4 o+0x1Ct3P I .> SC 第5章典型激光器介绍 Tg jM@ir pNNvg,hS8 5.1固体激光器 o6ag{Yp $6DA<v^=z 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 "8l& m6`U- =\FV_4) 5.1.2固体激光器的泵浦系统 MJ _ ]N+ _ `~\zzUZ 5.1.3固体激光器的输出特性 WNO!6*+ 0`Hr(J`F 5.1.4新型固体激光器 yt[vd8O'c 2A(?9
R9&h 5.2气体激光器 + t7n6 B,(zp#&yB 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 ),rd7GB> n6C]JWG\/U 5.2.2二氧化碳激光器 }!9KxwC( X:kr$ 5.2.3Ar＋离子激光器 I-L:;~. cVf}8qf) 5.3染料激光器 * LOUf7` ?B['8ju 5.3.1染料激光器的激发机理 :cA%lKg xe@11/F 5.3.2染料激光器的泵浦 8<: .D Fq I6vy :5d 5.3.3染料激光器的调谐 _eZ*_H,\ krMO<(x+ 5.4半导体激光器 <x[CL,Zg7 .^!<cFkCE 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 |w+N(wcJ &xLCq&j 1 5.4.2PN结和粒子数反转 zPc kM) rv <_'yj 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 Yaix\*II C
)J@`E 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 _%]x-yH!@ DkJ "#8Yl= 5.5其他激光器 -$sVqR>_ ZwOX ,D 5.5.1准分子激光器 \(`8ng ]vs .I %`yhCW 5.5.2自由电子激光器 O6"S=o& d:8c}t2X 5.5.3化学激光器 `'G1"CX yvIzgwN%s! 思考练习题5 %EE Q ^l m W )jtTC7 第6章激光在精密测量中的应用 lPZYd 8 {$QkerW3 6.1激光干涉测长 Pr'Ij )>;V72 6.1.1干涉测长的基本原理 G$A=T u~ sd&^lpH 6.1.2激光干涉测长系统的组成 4 Kh0evZ *!MMl]gU? 6.1.3激光外差干涉测长技术 vHXCT?FuG de_%#k1:L 6.1.4激光干涉测长应用举例 iH KX#* XiO~^=J 6.2激光衍射测量 k p3%"i&hD Xv<K>i >k 6.2.1激光衍射测量原理 VRB !u420 B'&QLO| 6.2.2激光衍射测量的方法 Q N]y.(S)y ]sZ!
-q'8 6.2.3激光衍射测量的应用 a.2Xl}2 o5 mqK}y K^P] 6.3激光测距 fM`.v+ -dS@ l'$ 6.3.1激光脉冲测距 7S2"e[-x 5tl( $j 6.3.2激光相位测距 z\`tn z7>$ 5m2f\^U 6.4激光准直及多自由度测量 hn=tSlte x|$|~ 6f=n 6.4.1激光准直仪 kRqe&N e +~$pkxD" 6.4.2激光衍射准直仪 C 7Fx V2 $.x,[R
aN 6.4.3激光多自由度测量 |B
{*so ] :i>If:>g 6.5激光多普勒测速 w+u1 " l5/gM[0_7 6.5.1运动微粒散射光的频率 *Wf Qi8 IU;a$ 6.5.2差频法测速 FfNUFx2N ^^B~v<uK 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 m5v IS 8a3 EVc 6.6环形激光测量角度和角加速度 &dG^ M2g-F )4TP{tp 6.6.1环形激光精密测角 h [@}} 6 "7Z-ACyF5 6.6.2光纤陀螺 3EHB~rL/C <H npI 6.7激光环境计量 1Qw_P('} U$ 46=F| 6.8激光散射板干涉仪 H?rC I S0 us E%e F] 思考练习题6 03c8VKp'p M!aJKpf 第7章激光加工技术 t.#ara{ GvZ[3GT 7.1激光热加工原理 Zo,066'+[. *M/ :W =,t 7.2激光表面改性技术 >p'{! k p zZ+!d 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 ~1{ppc+
m% =*3gH]& 7.2.2激光表面熔凝技术 _u] %K-_ VeSQq 7.2.3激光熔覆技术 a`R_}nus* pD('6C; 7.3激光去除材料技术 +D2I~hC0' lQd7 p+ 21 7.3.1激光打孔 %DA&txX}w R a"hdxH 7.3.2激光切割 C57m{R H o{hX?,4i 7.4激光焊接 Au6Y] u HW'F(; 7.4.1激光热导焊 [N12 X7O3 :yRv:`r3Lt 7.4.2激光深熔焊 oKCv$>Y #IJe q0TVB 7.4.3激光复合焊 Tw7] b;%t*?t 7.5激光快速成型技术 & 36SX<vZ uaz!ze+ 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 |-;VnC&UY ]x{.qTtw 7.5.2激光快速成型技术 }8PO m# <# RVA{ 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 ^,#m y<{ > lf uo 7.6其他激光加工技术 x|O^#X(, \h_ q] 7.6.1激光清洗技术 :.r_4$F: dOa9D 7.6.2激光弯曲 +V Nk#Z i *AYq :n6 思考练习题7 78Du :PtZKt; ~X 第8章激光在医学中的应用 r fzNw z DU=2c4W9 8.1激光与生物体的相互作用 Q@7d:v 0y6M;"&~E 8.1.1生物体的 光学特性 5 mC"8N1) hHGuD2% 8.1.2激光对生物体的作用 Zk`yd8C j:xC \b47" 8.1.3激光对生物体应用的优点 vbVOWX6 u*TC8!n 8.2激光在临床治疗中的应用 Yj#tF}nPC 15,JD 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 :aK?Dt Z 8! rdqI 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 !
5NuFLOf NC#F:M;b 8.2.3激光在眼科中的应用 d&[RfZ` <^'{=A>
8.2.4激光在泌尿外科中的应用 m1U:&{:^ dH!z<~ 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 xC,x_:R` Vv45w#w; 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 l6y}>] )@X0'X< 8.2.7光动力学治疗 ~/]]H;;^u 8.[F3Tk= 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 dF\#:[B Q-n8~Ey1a 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 pYx,*kG:HW ,VHqZ'6 8.3.2激光断层摄影 ^>?=L\[ dPwyiV0 8.3.3激光显微镜 Z*i p=FYR {]< G =]' 8.4医用激光设备 B Vw2sk OT W n'a' 8.4.1医用激光 光源 <Gi%+I@szl =FrB{E u 8.4.2医用激光传播用 光纤 3R3H+W0{ V0=%$tH 8.5激光应用于医学的未来 Q$c6l[(g N2v/< 8.5.1医用激光新技术 S^eem_C ( Jk& U8y 8.5.2光动力学治疗的前景 AJ bCC sD:o
2(G* 思考练习题8 x# J9 GP. #$I@V4O;# 第9章激光在信息技术中的应用 "XR=P>
xk X.eOw>. 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 V4n~Z+k C9!t&<\ } 9.1.1半导体激光器 m&:&z7^ p L"qJZU 9.1.2光纤激光器 1f`De`zXzr :V(LBH0 9.1.3光放大器 5#,H&ui\ qq/ > E*~ 9.2激光全息三维显示 QB*,+ u4 !6 KX^j- 9.2.1全息术的历史回顾 6ZqU:^3 ABN4kM>% 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 <RY =y?%z +/~]fI 9.2.3白光再现的全息三维显示 {p +&Q| "m K`3</G 9.2.4计算全息图 #i bwD:{ BNfj0e 5b 9.2.5数字全息术 m,k 0 h% T/_u;My; 9.2.6全息三维显示的优点 ppyy0E^M 'D+xs}\ 9.2.7全息三维显示的应用 ye^x>a[' |U%NPw5 9.2.8全息三维显示技术的展望 IT| h;NUG 2d D" ^z{ 9.3激光存储技术 ?zW'Hi @d WA1tM 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 b^/u9 ;m]V12 9.3.2激光光盘存储 AY AU >Xn,jMUW 9.3.3激光体全息光存储 ,:?ibE= 5 pCicwea# 9.3.4激光存储技术的新进展 -9b=-K.y _3` G ZeGV 9.4激光扫描和激光打印机 4uXGp sL $*C
}iJsF 9.4.1激光扫描 Kxsd@^E kTL{Q0q 9.4.2激光打印机 !> sA.L&= yKML{N1D 9.5量子光通信中的激光源 1)X|?ZD]F G\sx'#Whc 9.5.1量子光通信 Hn/t'D3 j1_>>xB 9.5.2量子态发生器及应用 Xf4Q Lw/r T|~5dZL 思考练习题9 /TMV Pnvz.
3f`Uoh+ 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 iJ{axa & )G2Bx+Z;L 10.1激光核聚变 T<uX[BO-a Zux L2W 10.1.1受控核聚变 V^s, 3C o,i_py 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 F 'uqL+jVO 6()Jx% 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 (Y~/9a4X H:G``Vq;0m 10.2激光冷却 1I2n dt LQF;T7VKS) 10.3激光操纵微粒 MHpGG00, `{#""I^_ 10.3.1光捕获 =v3o)lU T! x/^ 10.3.2微粒操纵 z>!./z]p [Q T ;~5 10.4超越经典衍射极限的分辨率 ug%7}& \#[DZOI~ 10.4.1解析延拓 z(A60b} o "r 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 2 7Gff(
zTue(Kr 10.4.3傅里叶叠层算法 Y~Uf2(7b5 tar/n o 10.4.4相干谱复用 Y$OE[nGi%X %g?M?D8Ud3 10.4.5非相干结构光 照明成像 *$cx7y J R(}<W$(TV 10.4.6超分辨荧光显微镜 5B~]%_gZr HL{aqT2 10.5激光光谱学 DlzL(p@r K -'uE) 10.5.1拉曼光谱 i6bUJtL 1 Ne;U/ 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 !~zn*Hm +wj}x?ZeV 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 'z9 1aNG ] [Vbd su9 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 F*G]Na@6D ^4IJL", 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 hrX/,D -c Wt%Wpb8 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 0s8fF"$ LTf)`SN %' 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 ce$ [H}rDB /sYr?b!/<6 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 GN(,` y }#< Rs 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 dOaOWMrfdf |7 K>` 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 /pRv
i>_(: #+<YFm\i 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 n:a~=^IV r5Q#G Y> 思考练习题10 B|o@ | zF WXo bh 附录A随机变量 8i^
./P F^.]g@g.| A.1概率的定义和随机变量 |A68 +(3u |J@
&lBlq A.2分布函数和密度函数 C6g p}% ;P' 5RCqj A.3推广到两个或多个联合随机变量 ; P<h 9( mCn:{G8+ A.4统计平均 ~zZOogM< qQf NT. 附录B随机过程 JS03B Itt x ;SY80D B.1随机过程的定义和描述 ml2/}} 3{qB<*!p"G B.2平稳性和遍历性 h}tC +_"D By9CliOy: 参考文献 2W LL I8 G'Wp)W;])\  W9}
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