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。 #~l(]h@
) K3x.RQQ-  lo,$-bJ,<, < VSA 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 ,H19`;Q U2wbv Xr5- 1.1光的波粒二象性 _G.>+!"2/
<- D0 u?8 1.1.1光波 Hr]h
J c *Ie7{EhJ' 1.1.2光子 M #=]
k ?Vdia:
1.2原子的能级和辐射跃迁 o)2W`i & thvYL.U : 1.2.1原子能级和简并度 jr!?v<NoX ~tR~?b T 1.2.2原子状态的标记 [>1OJY.S}T hi jgF@ 1.2.3玻尔兹曼分布 4@ML3d/ 45MLt5^| 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 \u>"s f1 _<G 1.3光的受激辐射 g;8jK 8 Kh $W9{P; 1.3.1黑体热辐射 ^,;z|f'% * m$W < 1.3.2光和物质的作用 t7 ?Zxq eQD)$d_5 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 6^"=dn6K |<.lW 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 P5#r,:zL /s[l-1zW 1.4光谱线增宽 NX/;+ { \a6^LD}B 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 7qg{v9|, lobGj8uxq 1.4.2自然增宽 d\61; C u*tN)f3 1.4.3碰撞增宽 C~N/A73gF K_El& 1.4.4多普勒增宽 v {jQek4 KOp162X>r 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 elG<k%/2 O Vko+X` 1.4.6综合增宽 Mc%Nf$XQ xg NJ eQ 1.5激光形成的条件 L?Qg#YSd ~ ])
rrG/3 1.5.1介质中光的受激辐射放大 w[ !^;# L.2/*H#
1.5.2光学谐振腔和阈值条件 W'.s\e?gh 'C
~ y5j 思考练习题1 I*IhwJFl/ 1}:bqI.<W 第2章激光器的工作原理 ,Td!|~I|j6 Ju3*lk/j- 2.1光学谐振腔结构与稳定性 )d$glI+ Lv'D^'I 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 dz *7gL;7G Nv/v$Z{k 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 bV8 !"{ k7>|q"0C 2.1.3稳定图的应用 +S R+ x/?z LF~*^n> 2.2速率方程组与粒子数反转 f "9 q^ \z$p%4`E@ 2.2.1三能级系统和四能级系统 ;IVDr: $T`<Qq-r 2.2.2速率方程组 hlJq-*6' t7m>A-I 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 9P~\Mpk >OG:vw)E 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 q&Gz ] &p}$J )q 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 GW$.lo1|) EvWzq%z
l 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 a_ `[Lj e#Z$o($t 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 i%g#+Gw j8 fpj {hp 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 kH4Ai3#g Q" t<3-" 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 Mnz!nWhk ;w %*M}`5 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 1xbK'i:-S ooV3gj4 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 ^B@Wp -,+q#F 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 h-m \% |D :^fcC[$K 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 @E-\ J7 yh 7\9> a 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 ObE,$_ k -W<vyNSr 2.5激光器的损耗与阈值条件
k0 /-qxS <?o 2.5.1激光器的损耗 F P> )&3>_ [<{Kw=X__2 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 7yx$N n`( }Y*VAnY6; 2.5.3阈值条件 }>'PT - :pF_GkG 2.5.4对介质能级选取的讨论 DZv=\<$,LF #fL8Kq 思考练习题2 MUA%^)#u4Q "d $m@c 第3章激光器的输出特性 zt<WXw( y8 KX<2s1 3.1光学谐振腔的衍射理论 2l
F>1vH l6~-8d+lfN 3.1.1数学预备知识 Udc=,yo3Qm \|U l]1pO8 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 3 HIz9F( c=
x,ijY
" 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 3` #6ACF Hw|AA?,0- 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 {XW Z<OjG 2PeR 3.2对称共焦腔内外的光场分布 :gB[O>'<m <N`J`J-[ 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 E!Zx#XP1
GV^ i`r^" 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 3"kd jOB `D":Q=: 3.3高斯光束的传播特性 r 3M1e+'fc sz9G3artK& 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 A 5+rd{k / h8X g`C\ 3.3.2高斯光束的相位分布 ^47PLLRP >rP#ukr5 3.3.3高斯光束的远场发散角 [F*4EGB UDe |Sb 3.3.4高斯光束的高亮度 L3p` 90#
;?# 3.4稳定球面腔的光束传播特性 {w8 NN-n R'dSbn 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 Q f| U0 Maqf[
Vky 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 2T ES>} 6AP~]e 8 3.5其他几种常用的激光光束 ZZj~GQL(S t'~/$=9 }
3.5.1厄米-高斯光束 -3&G"hfK {0@& OO:w 3.5.2拉盖尔-高斯光束 HJC(\\~ \NG C$p n 3.5.3贝塞尔光束 ?|1M v1C? te W6;O_ 3.6激光器的输出功率 z**hD2R! S/`%Q2za4 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 D&ve15wL ZO7&vF} 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 ]=EM@ X]y )ZF26 3.7激光器的线宽极限 9ktEm|F3 M0'
a9.d 3.8激光光束质量的品质因子M2 3^ StIw{X axk"^ gps 3.9模式激光的某些一阶统计性质 ]}mxY
vu_i cM&2SRBZ 3.9.1单模激光的一阶统计性质 %y<ejM \@~UDP]7 3.9.2多模激光的一阶统计性质 kL90&nP /:\3 \{?0m 思考练习题3 Vi]c%*k @+Y8*Rj\3 第4章激光的基本技术 j+8TlVur
Q2p)7G 4.1激光器输出的选模 D%7kBfCb }K(o9$V ^! 4.1.1激光单纵模的选取 i1oKr Rv Ao7 `G': 4.1.2激光单横模的选取 )B!d,HKt; W"Jn(:& 4.2激光器的稳频
?W0( |9 =6=_/q2 4.2.1影响频率稳定的因素 1P]d e'-`j Z?^"\u- 4.2.2稳频方法概述 [`Cq\m I-W DXQi- +? 4.2.3兰姆凹陷法稳频 l12$l<x&M p\bFdxv# 4.2.4饱和吸收法稳频 n^ho cGH* tJ=di5& 4.3激光束的变换 lM# A3/=K gcJF`H/iNK 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 DP7 C ?}( pl V7+?G 4.3.2高斯光束的聚焦 R < zG^m J eY' 8B 4.3.3高斯光束的准直 S^f:`9ab9 } '=h 4yI 4.3.4激光的扩束 Ae?e 70bY }wSy 4.4激光调制技术 l
SkEuN 4S
L _-Hm. 4.4.1激光调制的基本概念 |z^pL1Z]5 (\d K4JJ 4.4.2电光强度调制 2 [!Mx&^ ~ E=\ t9r 4.4.3电光相位调制 3]n0 &MZAR \,sg)^w@ 4.5激光偏转技术 .h;Se ^GYq#q9Q 4.5.1机械偏转 e wB!IJxh Z,WW]Y,$ 4.5.2电光偏转 idJh^YD T 4|jz<iK] 4.5.3声光偏转 (Q-I8Y8l8 X^< >6|) 4.6激光调Q技术 w}M3x^9@ 9DEh* %q 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q =Mhg (3md:r<- 4.6.2调Q原理 B; -2$
77 o&^NwgRCF 4.6.3电光调Q l_v*7d XKq@]=\F 4.6.4声光调Q %{ST z [[qwaI 4.6.5染料调Q u fw cF* kb|eQtH 4.7激光锁模技术 4&N$: j< z/1hqxHl 4.7.1锁模原理 JJ l7JwSTW e`sw*m5 4.7.2主动锁模 , deUsc i<u9:W 4.7.3被动锁模 $o^e:Y ,
a "g
`nsk 思考练习题4 j
0
Y Ko}2%4o n 第5章典型激光器介绍 u3Do~RyL[ 8Inx/>eOI 5.1固体激光器 3c u9[~K )!C7bTv 4 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 9 3I'cWN G\1J _al 5.1.2固体激光器的泵浦系统 9Q@*0 - nC~fvyd<P 5.1.3固体激光器的输出特性 8^w/HCC8O `{G?>z Fp 5.1.4新型固体激光器 S+FQa7k )C}K R`" 5.2气体激光器 T _ ~KxQ k_Tswf 3 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 b5Q8pWZg, UE)fUTS 5.2.2二氧化碳激光器 J v<$*TVS0 d~<QAh#rG 5.2.3Ar＋离子激光器 II ax gfhZ gPUo25@pn* 5.3染料激光器 2 `5=0E1k
1#D<ZN 5.3.1染料激光器的激发机理 L*O>IQh2 NQ!<f\m4n 5.3.2染料激光器的泵浦 ,xj3w#`zaf OMd# ^z 5.3.3染料激光器的调谐 hrT%XJl M;qb7Mu 5.4半导体激光器 wA r~< K_##-6> 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 +\U]p_Fo3 v?%3~XoH 5.4.2PN结和粒子数反转 7O461$4v ru(J 5+H 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 +@>:%yX N<"`ShCNM 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 o4'Wr #7\b\~5 5.5其他激光器 1$OVe4H1 jnDQ{D 5.5.1准分子激光器 _-6e0sr Z `A"Q3sf% 5.5.2自由电子激光器 `x4E ;Wjv g 9|qbKQ:[ 5.5.3化学激光器 w^ U}| h" 6s5b$x 思考练习题5 zS?n>ElI GY7 s 第6章激光在精密测量中的应用 >3+F Z@.iT QxA0I+i 6.1激光干涉测长 '&)D>@g H1C%o 0CPY 6.1.1干涉测长的基本原理 Pn J*Zea HNFhH0+^ 6.1.2激光干涉测长系统的组成 X
[!X>w&z| W'V@ 6.1.3激光外差干涉测长技术 1w bTqc -HN%B?}. x 6.1.4激光干涉测长应用举例 w`0)x5
TGR &
L3UlL 6.2激光衍射测量 ]xI?,('_m 'jN/~I 6.2.1激光衍射测量原理 fZ{&dslg ^ePsIl1E 6.2.2激光衍射测量的方法 bz$Qk;m=H h*G#<M 6.2.3激光衍射测量的应用 RE*WM3QK~ L!&$c&=xf 6.3激光测距 IJldN6&\q Q QT G9s 6.3.1激光脉冲测距 ^ A- sS~w '1]+8E
`Z 6.3.2激光相位测距 fMyE&#}z }U(\~
=D 6.4激光准直及多自由度测量 \ U Ax(; jjX'_E 6.4.1激光准直仪 90?,-6 erXy>H[; 6.4.2激光衍射准直仪 .B6`OX&k T t`L(oF 6.4.3激光多自由度测量 v&e-`.xR L)1C'8 ). 6.5激光多普勒测速 U%h7h`=F? z2.*#xTZn 6.5.1运动微粒散射光的频率 w[e0wh`. \Oz,Qzr| 6.5.2差频法测速 @T5YsX]qb7 \ibCR~W4 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 C?{D"f`[] cJSV T8 6.6环形激光测量角度和角加速度 Gee~>:_Q{J "$]ls9 -%n 6.6.1环形激光精密测角 T.J`S(oI ]c5DOv & 6.6.2光纤陀螺 (rAiDRQ[ ss/h[4h4h 6.7激光环境计量 l_bL,-|E8 N?\bBt@ 6.8激光散射板干涉仪 (%6(5,
#"hJpyW 4V 思考练习题6 -QN1oK@\mE t3pZjdLJd 第7章激光加工技术 {ms,q_Zr ht2
f-EKf{ 7.1激光热加工原理 z~ BD(FDI |
A3U@>6 7.2激光表面改性技术 (D0C#<4P w'!EC m>*` 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 u82h6s<'W f3/SO+Me} 7.2.2激光表面熔凝技术 o<Xc,mP W+8BQ- 2 7.2.3激光熔覆技术 xOwNCh :a# F 7.3激光去除材料技术 *~"zV`*Q qUifw @ 7.3.1激光打孔 fL(':W&n- v&p,Clt-2 7.3.2激光切割 wEBtre7 @YEw^J~ 7.4激光焊接 "kc pA#uD| os }b?I*K 7.4.1激光热导焊 "| (rVj= gsLr= 7.4.2激光深熔焊 l. XknF \R6;Fef 7.4.3激光复合焊 _Wm(/ +G_| p.@0=) 7.5激光快速成型技术 m Gt\7&` 0q:(-z\S 4 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 >{ j,+$%kp zY]Bu-S3 7.5.2激光快速成型技术 {z.[tvE8h 2=i gS #h 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 I++W0wa.n U(rr vNt:t 7.6其他激光加工技术 6.7`0v?,n \Pw8wayr% 7.6.1激光清洗技术 tn"Y9
k| H @_eFlT t 7.6.2激光弯曲 M, .b`1-w "} S9`-Wd| 思考练习题7 v9Z lNA7m! B.]qrS| 第8章激光在医学中的应用 08zi/g2
3 {D;Xa`:O 8.1激光与生物体的相互作用 g2+l@$W ."~7 \E> t 8.1.1生物体的 光学特性 4y|xUO: T
[ T 6 8.1.2激光对生物体的作用 DCEvr " ( T)b3N| ONB 8.1.3激光对生物体应用的优点 "2)+) Db o>xxmyW| 8.2激光在临床治疗中的应用 Iq4 Kgc 0MwG}|RC 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 mr:kn 0 T^ /Gj|N* 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 t`
}20=I+ }u(d'9u 8.2.3激光在眼科中的应用 )z]q"s5 Y anHBy SI3 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 B'G*y2UnG
91-P)%? 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 3v9gb,)y\ 5en
[)3E 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 Y0/jH2 n '#cT4_D^lI 8.2.7光动力学治疗 qPFG+~\c ~[ d =s 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 pr0@sri@ h]J& A 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 }XfS#Xr1aV p?dGZ2` [I 8.3.2激光断层摄影 8\qCj.>S ka?IX9t\ 8.3.3激光显微镜 w\"n!^ms QOkE\ro 8.4医用激光设备 ,W)IVc
GW>7R 6i 8.4.1医用激光 光源 |QAeQWP+1 4
|:Q1 8.4.2医用激光传播用 光纤 "!%w9 veYsctK~ 8.5激光应用于医学的未来 aBqe+FXp4 l5\B2 +}7 8.5.1医用激光新技术 ^7ea6G" ch 5`fm 8.5.2光动力学治疗的前景 F:* [ yNhscAMNn 思考练习题8 `}k&HRn f>\bUmk( 第9章激光在信息技术中的应用 %!ER @&1f& 5{R#h : 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 b *'=W"%\ _V_8p) % 9.1.1半导体激光器 5UrXVdP H0D>A<Ue 9.1.2光纤激光器 APHtJ oS LH3N}J({ 9.1.3光放大器 ? RR Srr 1 j, |1y5f 9.2激光全息三维显示 in=k:j,U0 E &iWtwkz 9.2.1全息术的历史回顾 (PsS E:r}+ RS ||KA])J 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 uh C= \pewbu5^ 9.2.3白光再现的全息三维显示 rB.=f[aX[ !\&7oAs=I 9.2.4计算全息图 h 0QYoDvbC G)tq/`zNw 9.2.5数字全息术 &{%S0\K Y u'$yYzBE 9.2.6全息三维显示的优点 TzevC$m;z 6PzN>+t^y 9.2.7全息三维显示的应用 :{wsd$Qlj @Q$ /eL 9.2.8全息三维显示技术的展望 8aZey_Hw;+ MUCJ/GF* 9.3激光存储技术 Z5*(W;; 7? Qt2 tr 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 U>L=.\\| 48 ~m=mI 9.3.2激光光盘存储 L6rs9su=7 k[r./xEv+t 9.3.3激光体全息光存储 O)U$Ef RXx?/\~yd; 9.3.4激光存储技术的新进展 B (en5| 9p[W :)P4d 9.4激光扫描和激光打印机 _Y
><ih SVg@xu+ 9.4.1激光扫描 Z+``/Q]>+ g<hv7?"[ 9.4.2激光打印机 bn*{*=( | ](9{}DHV 9.5量子光通信中的激光源 - ;@5Ua1uf YzhN |!;!k 9.5.1量子光通信 N}l]Ilm$34 xPfnyAo?%z 9.5.2量子态发生器及应用 l9ifU h e n6%jhv9H 思考练习题9 3f:1D=f . ~A"Wyu\ 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 *nsnX/e(- 2LxVt@_R!% 10.1激光核聚变 ~kj(s>xP %8} ksl07 10.1.1受控核聚变 LG& Q>pt. ,
R .+-X 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 Z '> eT) 5cNzG4z 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 /[ 0 /8f6 !(u x.T0 10.2激光冷却 ]!t YrSM ! E!}-qbH^ 10.3激光操纵微粒 C>\!'^u1 +s R *d 10.3.1光捕获 #`vGg9 ~g4rG z 10.3.2微粒操纵 oVEr {K) %\{?(baOA 10.4超越经典衍射极限的分辨率 ! iitx U U70@}5! 10.4.1解析延拓 [>J~M!yu:r bhm~Ii 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 ,Y\4xg*` 3Ibt'$dK 10.4.3傅里叶叠层算法 GaK _9Eg-2 %`\3V
{2* 10.4.4相干谱复用 rd 35) ;DgX"Uzm 10.4.5非相干结构光 照明成像 <j8&u/Za~' G }dOx}kT 10.4.6超分辨荧光显微镜 G4exk5 g*AD$": 10.5激光光谱学 : {N3o: lRA Trp#T 10.5.1拉曼光谱 |b'<X Q&l5 ZhbY, wJ, 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 Ye=7Y57Nr NK#"qK""k 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 @8M2'R\ .McoW7|Y 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 zc,9Qfn 'ZZ WH 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 q(ET)xCeD :: 72~'tw 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 !q6V @& _M]rH<h 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 < ,cIc]eX +u iH0iGS 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 ] Y:
W[p g@6X|W5,J 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 rPGE-d 3 L z>{FOR 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 `~+a=Q .6Lhy3x 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 /'=^^%&:B #z ^1 )7 思考练习题10 U ;Y}2 19-yM`O 附录A随机变量 GoVPo ' yJ`1},^ A.1概率的定义和随机变量 RdVis|7o "T1#*"{j A.2分布函数和密度函数 N9h@1'> *Qwhi&k A.3推广到两个或多个联合随机变量 Qbt>}?- ,bwopRcA A.4统计平均 "`gZ y)E U W)&Eky 附录B随机过程 b%jG?HSu $HCAC 4 B.1随机过程的定义和描述 % m5 ^p +?txG HQq B.2平稳性和遍历性 2c`=S5 #.L0]Uqcp 参考文献 <9.7 gwz E +-YuBVHL  Y*`A$
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