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。 ^$J.l+<h y SQ I =D8  :@sjOY hkvymHaG 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 M[5fNK&nD tD3v`Ke 1.1光的波粒二象性 @DCw(.k* k(3FT%p 1.1.1光波 t p3
!6I6 9':MD0P/M 1.1.2光子 {s~t>R p+ !wEz=
i 1.2原子的能级和辐射跃迁 bxF'`^En 8H2A<&3i 1.2.1原子能级和简并度 `: ;fc eih~ SBSH 1.2.2原子状态的标记 tLe "i> CJ[^Fi?CH 1.2.3玻尔兹曼分布 j< _)Y(x> '645Fr[lg 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 @hIHvLpRB bWfT-Jewh 1.3光的受激辐射 |j~{gfpSE gjex; h 1.3.1黑体热辐射 [5s4Jp$+ Nd6 1ns(N 1.3.2光和物质的作用 ev%}\^Vl[ y,vrMWDy 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 Ox}a\B 8 'mU7N<Q$qQ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 |s*tRag {N 0i
3e
s 1.4光谱线增宽 (eF "[,z xC.Tipn> 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 f| -%., ZH8Oidj` 1.4.2自然增宽 xBK is\b gC \ ^"m 1.4.3碰撞增宽 5Ak6 q(\ 8d*W7>rq 1.4.4多普勒增宽 Dro2R_j{ =@0/. oSD 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 2]f? c%)I zkmfu~_) 1.4.6综合增宽 CWS&f
g%o{ -@yu 9=DT 1.5激光形成的条件 ,)7y? *D} dSw%Qv*y 1.5.1介质中光的受激辐射放大 t {RdqAF m #}%l3$ 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 = s$UU15 x# ,nR]C 思考练习题1 $kCLS7 * S
0L"5B@ 第2章激光器的工作原理 8S*W+l19f c6f[^Q%#j 2.1光学谐振腔结构与稳定性 KJ;NcU q 0z: BSdno 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 3lD1G~ qJ f=f3 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 {|ChwM\x qJPEq%'Q 2.1.3稳定图的应用 7z^\}& j9]H~:g$d 2.2速率方程组与粒子数反转 .cA'6J"Bm\ -P7JaH/Q 2.2.1三能级系统和四能级系统 y( uE w,v~ 2.2.2速率方程组 U|}Bk/0. 5zR9N>!c 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 t
(> } [W{WfJ-HwG 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 9 9S-P}xd tWN hFQ' 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 UO AL7 X9oxni# 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 v<c@bDZ> 8*t8F\U# 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 B>"O~ gZ{# 7 G <v<& 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 "o.g}Pv c[ QXc9 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 h8me.=S& Zn]njf1x 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 -p\uW 0XA 38B h9>c3 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 {D9m>B3"{ 3
2Md Da 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 ="*:H) ;)nV 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 q" aUA_}\ bO2s'!x 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 vOKWi:-U [ijK ~ 2.5激光器的损耗与阈值条件 C+=8?u< =A< Fcl\Rz 2.5.1激光器的损耗 @CJ`T& sa26u`? 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 ]gHi5]\NC 2y0J~P! I 2.5.3阈值条件 ,-GkP>8f( byW9]('e 2.5.4对介质能级选取的讨论 2GR dfX E"l/r4*f@ 思考练习题2 eXdE ?j [~[)C]-= 第3章激光器的输出特性 f,_EPh> l9"T"9C{ 3.1光学谐振腔的衍射理论 Bl"Bm Un >.)m|, 3.1.1数学预备知识 c'8pTP%[ IW<nfg 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 CC<(V{Png c{X:0man 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 L~PBD?l 2Vn~o_ga 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模
nGqD{!i< D ; bHX 3.2对称共焦腔内外的光场分布 ` ,O#r0m
RrG5`2 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 e M$NVpS3 z9B" "ws 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 | pA ?{Rv/np=F 3.3高斯光束的传播特性 4|#@41\ B /#C}1emK 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 OrJuE [R. @*VfG CQ( 3.3.2高斯光束的相位分布 yDi l ~7$4w# of0 3.3.3高斯光束的远场发散角 3iI 4yg 7l~d_<h 3.3.4高斯光束的高亮度 +[R,w sG @3Lh/& 3.4稳定球面腔的光束传播特性 q|}%6ztv- |*T3TsP u 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 >$R Q S1Nwm?z 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 M:9
6QM~ !d)Vr5x 3.5其他几种常用的激光光束 O_kBAC-|R( R'udC} 3.5.1厄米-高斯光束 lzE{e6 }^@Q9<P^E 3.5.2拉盖尔-高斯光束 )#H&lH ? +q(,P@* 3.5.3贝塞尔光束 y$R r,]L X^td`}F/=V 3.6激光器的输出功率 WP5 QA8`3 OA BMI gX 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 A%[ BCY_ Vx<`6uv 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 e}u68|\EC cOq'MD r 3.7激光器的线宽极限 h n -!W;j <0w"$.K#3 3.8激光光束质量的品质因子M2 c&mLK1A6 1z6$>{FUR 3.9模式激光的某些一阶统计性质 l
10p'9 n sMn)[k
vX 3.9.1单模激光的一阶统计性质 n?[JPG2X tpY]Mz[J 3.9.2多模激光的一阶统计性质 RXD*;B$v c;13V(Djy 思考练习题3 x* 9 Xu"? n ZbINhls 第4章激光的基本技术 nr{#Krkb i!a . 6Gq 4.1激光器输出的选模 )-s9CWJv Z0'&@P$ 4.1.1激光单纵模的选取 x@)G@'vV| -P.51q 4.1.2激光单横模的选取 AbExJ~JV\g _ g8CvH)?! 4.2激光器的稳频 HVHd@#pDZ
@BmI1 4.2.1影响频率稳定的因素 li37* #aua 6V!" 4.2.2稳频方法概述 N8E KL<,avC/ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 J85S'cwZZ 2bnYYQ14: 4.2.4饱和吸收法稳频 :u9OD` D EEn8]qJC 4.3激光束的变换 ;H4 s[#K $ o
} 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 chE}TK H,3WdSL`K 4.3.2高斯光束的聚焦 ,6 IKkyD B{lj.S` mB 4.3.3高斯光束的准直 {6tj$&\) 'nT#c[x[0 4.3.4激光的扩束 {zTnE?(o` bk=ee7E7> 4.4激光调制技术 xjy(f ~' rk-GQ #SKU 4.4.1激光调制的基本概念 sW,JnR W>j@E|m$ 4.4.2电光强度调制 mz|p=[lR| KjNA PfL 4.4.3电光相位调制 4Jf9N' G` Df'Yy 4.5激光偏转技术 |Zk2]eUO+ n CS" l5 4.5.1机械偏转 3`TD>6rs >i_ #q$o 4.5.2电光偏转 %6W %-` 6E#znRi6IE 4.5.3声光偏转 Miz?t*|{[ 1N} vz(0" 4.6激光调Q技术 RG.wu6Av "U-dw% b}b 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q o1?S * \2^o,1r/ 4.6.2调Q原理 4Ql9VM%y ij,Rq`}l 4.6.3电光调Q =/!RQQ|8o c`@";+|r 4.6.4声光调Q $Jo4n>/ `=$p!H 8 4.6.5染料调Q T I|h DF>3)o TF 4.7激光锁模技术 w>o /)TTJL .b? Aq^i8 4.7.1锁模原理 YsMM$rjP + brX[- 4.7.2主动锁模 bq2f?uD-} Ms#rvn!J 4.7.3被动锁模 A5 T&i] T& 4f} g/ 思考练习题4 @T Ha [|(S wF9L<<&B 第5章典型激光器介绍 7`f%?xVn0 ^I KT!"J&? 5.1固体激光器 UqD ]@s` Z (t 7QFd 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 Z2t\4|wr: Ci4; e 5.1.2固体激光器的泵浦系统 )$ h !lAo JOz4O 5.1.3固体激光器的输出特性 {;N2 &S o s"XwO8yhM 5.1.4新型固体激光器 +n <W#O % 2qot(Zs1i 5.2气体激光器 84!Hd.H @qpj0i+>* 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 d
N$,AO T h*R w^5,c 5.2.2二氧化碳激光器 %fnG v\uI _, E/HAX 5.2.3Ar＋离子激光器 l5 ] B
6z 'Q 5.3染料激光器 >C19Kie72 U.5R3z 5.3.1染料激光器的激发机理 %E5b }E# K iEmvC 5.3.2染料激光器的泵浦 QWnGolN 2]<.m] 5.3.3染料激光器的调谐 :}yT?LIyP Ta[\B WR2 5.4半导体激光器 Se_]=>WI X o:Mar 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 hbg$u$1`, l2kGFgc 5.4.2PN结和粒子数反转 x5 CM P%}d u>]3?ty` 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 tS >^x 1yZA_x15: 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 yIcTc xr{Ym99E$ 5.5其他激光器 $C sE[+k1 F}7sb#G 5.5.1准分子激光器 NYr)=&)Ke. KzP{bK5/ 5.5.2自由电子激光器 >[Wjzg uorX;yekC 5.5.3化学激光器 Q`W2 \Kod] ]'"Sa<-> 思考练习题5 7f}uRXBV$A x+j@YWDpG" 第6章激光在精密测量中的应用 x1? mE)n] .>eR X% 6.1激光干涉测长 )A xD|A p_g`f9q6D 6.1.1干涉测长的基本原理 BvsSrse n| {#5# 6.1.2激光干涉测长系统的组成 )
$_1 U!z MqB@}! 6.1.3激光外差干涉测长技术 /IG{j} Uns%6 o 6.1.4激光干涉测长应用举例 Ps>:|j+ 4~&3.1 6.2激光衍射测量 a_V\[V{R= .wD
$Bsm`t 6.2.1激光衍射测量原理 4"k &9+> uE41"?GS 6.2.2激光衍射测量的方法 u\Ylo.)b xa@$cxt 6.2.3激光衍射测量的应用 NJQ)Ttt ^hiY6N & 6.3激光测距 0\{dt4nW&O xy]O8> b 6.3.1激光脉冲测距 (0 H=f6N mpu g#i6q 6.3.2激光相位测距 gDVsi [9${4=Kq 6.4激光准直及多自由度测量 b9RH sr]V -dixiJ= 6.4.1激光准直仪 XQ]vJQYIR %*}rLn"? 6.4.2激光衍射准直仪 `z\hQ%1!F ["<Xh0_ 6.4.3激光多自由度测量 hq vhnqQk :31_WJ^ 6.5激光多普勒测速 "t&=~eOe3 G;}WZy 6.5.1运动微粒散射光的频率 !:!(=(4$P W|m(Jh[w] 6.5.2差频法测速 =S`h/fru D{6 y^@/ 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 X|T|iB,vT
5[Vr {^) 6.6环形激光测量角度和角加速度 dGY R
'x 1H-Y3G> jN 6.6.1环形激光精密测角 5[jcw` 7K\v= 6.6.2光纤陀螺 /=S@3?cQAB ~j'D%:[+VH 6.7激光环境计量 0[l}@ K ? k_,7#:+ 6.8激光散射板干涉仪 Xx{| [2` 94+^K=lAX 思考练习题6 ;[}OZt &T,|?0>~=J 第7章激光加工技术 F<,pAxl~@ Nn[*ox#i 7.1激光热加工原理 no3yzF3Hi yMz#e0 k 7.2激光表面改性技术 |@X^_L.! {Nl? 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 ]Z civnN# 'z.
GAR 7.2.2激光表面熔凝技术 6kH6" 9fEe={ B+ 7.2.3激光熔覆技术 ;#85 _/ V1]GOmXz 7.3激光去除材料技术 [f_^B U& FM VAXOO 7.3.1激光打孔 U3{<+vSR` KEOk%'c, 7.3.2激光切割 ,a{85HLr] 1%+-}yo< 7.4激光焊接 4=^_VDlpd IE`3I#v 7.4.1激光热导焊 =y][j+WH (SyD)G\rj 7.4.2激光深熔焊 h ik.qK ^/ " }_bR 7.4.3激光复合焊 =wh[D$n$~ o pTXI* QA 7.5激光快速成型技术 :*}Q/]N ab2FK 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ^cYB.oeu %
"(&a'B 7.5.2激光快速成型技术 F@u7Oel@m 4aS}b3=n 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 "U}kp#) Vgm'&YT 7.6其他激光加工技术 VmqJMU>. 3=.YQE0!dx 7.6.1激光清洗技术 /Q;wz!V$ b(0<,r8 7.6.2激光弯曲 r^~+ <" JY"jj}H]| 思考练习题7 o]<Z3) XRV]u|w=g 第8章激光在医学中的应用 1C B&z@ aJ+V]WmA 8.1激光与生物体的相互作用 3YvKHn|V" `MU~N_ 8.1.1生物体的 光学特性 0vv~G\yM !/}3/iU 8.1.2激光对生物体的作用 I\Op/`_=E j9+4},>>CU 8.1.3激光对生物体应用的优点 v)+g<! 8gS7$ EH' 8.2激光在临床治疗中的应用 } k2 Q ~&<#H+O 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 *BsK6iVb -uYxc=4Lh 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 1{a%V$S[ |[.-pA^ 8.2.3激光在眼科中的应用 }X)vktE+| cX b*d|-|N 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 c2P}P* _ 4,)9@-|0R 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 #LasTN9 ;xwcK-A 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 "/'3 I/ } m
Q9dF, 8.2.7光动力学治疗 /7UvV60 OH
t)z.
8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 .ck?JXg gQeQy 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 ? Lg(,-: *~^63Nx! 8.3.2激光断层摄影 %66="1z0@ *z~,|DQ(A 8.3.3激光显微镜 0i*V ? +bz nKy! 8.4医用激光设备 & P-8_ I q94;x |63 8.4.1医用激光 光源 Q4u.v,sE 4zyQ "?A~ 8.4.2医用激光传播用 光纤 ;iKLf~a a aw*]b.f 8.5激光应用于医学的未来 yT7$6x Fl`U{03 8.5.1医用激光新技术 @lN\.O p>tkRA?lk 8.5.2光动力学治疗的前景 Dj\nsc@e3 qZd*'ki< 思考练习题8 =z'(FP5!0 c1Ks{%iA 第9章激光在信息技术中的应用 ]R T jrQ0-D%M d 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 G Aj%o]}u gzs \C{4D 9.1.1半导体激光器 "6jt$-? z H]oAu=H 9.1.2光纤激光器 Tx .N#,T| =dGp&9K,fw 9.1.3光放大器 K%J?'- UePkSz9EU 9.2激光全息三维显示 Jpa pl%7v a`' >VCg 9.2.1全息术的历史回顾 R #wZW&N \ptO4E 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 =ANr|d [D~] 9.2.3白光再现的全息三维显示 ]d1'5F][H P*&[9 )d6 9.2.4计算全息图 ?\Z pVL<> Qf~>5(,h 9.2.5数字全息术 nqy*>X` R 0Vt_7 9.2.6全息三维显示的优点 D>5)',D8xi Ph=NH8 9.2.7全息三维显示的应用 ?, pwYT0g XM:BMd| 9.2.8全息三维显示技术的展望 :H&Q!\a Fe !MA 9.3激光存储技术 _WZx].|A= rCw 4a?YS 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 C!+D]7\j MZt#T+b 9.3.2激光光盘存储 !/p|~K V;: k - 9.3.3激光体全息光存储 }+ !"mJx@ IH`Q=Pj 9.3.4激光存储技术的新进展 +
+L7*1t |?88EG@05 9.4激光扫描和激光打印机 76w[X=Fv 2PQBUq 9.4.1激光扫描 _x.2&S89 J@-'IJ 9.4.2激光打印机 {bXN[=j 4~ }NB% , 9.5量子光通信中的激光源 6:2* < <SNr\/aCRi 9.5.1量子光通信 6(QfD](2 } Tr?p/9.m
9.5.2量子态发生器及应用 toY_1 8ae`V!5 思考练习题9 Pl B3"{}0Q ZjxF@`H 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 4#(/{6J lR %#R 10.1激光核聚变 #m U\8M, i431mpMa 10.1.1受控核聚变 nFlN {_/ *)Pm 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 WHC/'kvF KiXfR\S~C 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 `/WxEu3 JzEg`Sn^ 10.2激光冷却 XNa{_3v F$8:9eL,T 10.3激光操纵微粒 r%;|gIky Y^]n> X 10.3.1光捕获 ] +e
zg(C} 9fX0?POG 10.3.2微粒操纵 {gzQ/|}#z- '
wl}) 10.4超越经典衍射极限的分辨率 %i\rw*f M
%,\2!$ 10.4.1解析延拓 bVcJ/ +Yx| uRy}HLZ" 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 a?W5~ ?\9 ,9y6:W%5 10.4.3傅里叶叠层算法 ZW;Ec+n_K {e&fB X6; 10.4.4相干谱复用 ;.jj>1=Tnl c7+6[y DVE 10.4.5非相干结构光 照明成像 ?sHZeWZ( Nd( I RsH( 10.4.6超分辨荧光显微镜 o+x%q<e;c B6 F!" 10.5激光光谱学 UovN"8W+ }h1BAKg 10.5.1拉曼光谱 fOMaTnm' p{oz}} 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 v^eAQoFLhN ;^ :8F 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 GpPM ? i @:^b_ 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 5%D` y| GipiO5)1C 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 e_!h>=$%8 2+ u+9 rW 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 h HHR]e5: pOK=o$1V8 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 3q4VH q $l)RMP} 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 PoZ$3V$(Lz !43nL[] 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 "`K_5"F yPfx!9B 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 skeeec\V r7VBz_Q 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 nGGw(6c%> !l dE9 . 思考练习题10 H.?`90IQ
C2LG@iCIE 附录A随机变量 ~7aD#`amU CXn?~m&K A.1概率的定义和随机变量 &=t~_ Dc mmwc'-jU: A.2分布函数和密度函数 eAO@B R[ F`b A.3推广到两个或多个联合随机变量 k4&adX@Y C=;}7g A.4统计平均 3K(/ = &T -: `( 附录B随机过程 ;xq ;c\N 0R unex[ B.1随机过程的定义和描述 bHq.3; Qv,ORm
h5 B.2平稳性和遍历性 FXk*zXn6 }#Up:o]A! 参考文献 l %Lx#7bR U  pV<K=;:x> *#p}FB2H# （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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