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。 K)+]as [?qzMFb '.>y'= ,`k6 @4 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 v]H9`s#, Hi/[ 1.1光的波粒二象性 n \<7`, "68X+! 1.1.1光波 ue @W@pj ?U O aq cL 1.1.2光子 2Qh)/=8lM 5ug|crX 1.2原子的能级和辐射跃迁 yJ ljCu)f njO~^Hl7 1.2.1原子能级和简并度 $/@
L Oo FMOlb.Z 1.2.2原子状态的标记 ;cPPx`0$9 GRVF/hPn 1.2.3玻尔兹曼分布 ?$uF(>LD
4~ L1~Gk 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 PlK3; Gr)G-zE 1.3光的受激辐射 o2hZ=+w> J|^z>gP( 1.3.1黑体热辐射 U /~uu u2`j\
Vu 1.3.2光和物质的作用 r:E4Wi{\ }A;YM1^$ 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 kzNRRs\e nm]lPK U+Y 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 i "X" -)# YjJ^SU`* 1.4光谱线增宽 Am*lx I|>.&nb 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 , /jHhKW p5w9X+G% 1.4.2自然增宽 TX@ed eH!V%dX 1.4.3碰撞增宽 Bg zq *//z$la 1.4.4多普勒增宽 *A8Et5HAv Y
9z*xS 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 m']$)Iqw _3wK: T{: 1.4.6综合增宽 q
#7Nk)<.
n 9 k 1.5激光形成的条件 $cwmfF2C !b4AeiL>w 1.5.1介质中光的受激辐射放大 / FpPf[ K ;]dZ8 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 {Oq8A.daJ -"a(<JC^NI 思考练习题1 +]NpcE' 1>V q< z 第2章激光器的工作原理 N#)Klq87z S1@r.z2L 2.1光学谐振腔结构与稳定性 Nq\)o {<1 <SOG?Lh~ 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 IR: { { ( v<)&JlR 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 02tN=}Cj) iC^G^ ~V+H 2.1.3稳定图的应用 Qt_KUtD jq8TfJ | 2.2速率方程组与粒子数反转 2Q@Jp`# ,4 J kAd3ls 2.2.1三能级系统和四能级系统 '@w'(}3!3R 3
Fy C D4# 2.2.2速率方程组 bj 8pqw|; tlg}"lY 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 nhC8Tq[m %H&WihQ 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 i O? f&u PNo:vRtsq 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 [q_62[- X qdKqc,R1{ 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 r|\{!;7 ahCwA} 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 \v<S:cTf +oO7UWs>6 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 JdUdl_D z >=:mtc ph 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 m$(OQ,E W?P4oKsql* 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 rUyGTe(@h k{b|w ') 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 #2:?N8vz* <|X+T, 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 (18ZEKk 99By.+~pX 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 ]GCw3r(! C"0
VOb 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 n_LK8 G?\eO&QG{" 2.5激光器的损耗与阈值条件 +t& ) Z vkR ~nIp 2.5.1激光器的损耗 q+<,FdG 0:4>rYBC 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 n
c~JAT# ' Otq1CD9 2.5.3阈值条件 KD +&5 =Y )1@%!fr 2.5.4对介质能级选取的讨论 (e!Y u#- I!u=.[5zdC 思考练习题2 WS.g` % n <> ^cD 第3章激光器的输出特性 Fn4yx~ 0 T3"'`Sd9; 3.1光学谐振腔的衍射理论 B~qo^ppVU C\ Yf]J 3.1.1数学预备知识 sM UpkU- r)Zk- !1 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 /?XI,#j3kM 52 Dgul 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 <ME>#, f2SJ4"X 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 ;1nXJ{jKw Jc]66
3.2对称共焦腔内外的光场分布 ~=[5X,Ta ~!7x45( 1# 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 88[u^aC yIngenr$ 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 NRT]dYf"z y x#ub-A8 3.3高斯光束的传播特性 $9X?LGUz #^9k&t#!6 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 X c"
%- e 6 >j
gy 3.3.2高斯光束的相位分布 FU .%td=: a&)!zhVP 3.3.3高斯光束的远场发散角 }opMf6`w ?P>4H0@I+ 3.3.4高斯光束的高亮度 2P@6Qe
? RIO?rt; 3.4稳定球面腔的光束传播特性 @o'L! 5Y >m <T+{` 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 /Qef[ $ !( g`C8ouy 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 L{)t(H>O e00 }YWf% 3.5其他几种常用的激光光束 (RG "2I3 L, nb< 3.5.1厄米-高斯光束 ;
2V$ `k i^A=nsD` 3.5.2拉盖尔-高斯光束 '!?t+L%gO 5=<KA 3.5.3贝塞尔光束 V,'_BUl+x }oSgx 3.6激光器的输出功率 A8ef=ljM? 3k(tv U+eC 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 Q{'4,J-w Yl"CIgt 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 S-~)|7d. t?Q bi)T=z 3.7激光器的线宽极限 ]SPuNBsy) wqV"fZA\] 3.8激光光束质量的品质因子M2 +Ig%h[1a z#P`m,~t0 3.9模式激光的某些一阶统计性质 {[Y7h}7 c|aX4 =Z 3.9.1单模激光的一阶统计性质 WQiRbb X L+
XAbL) 3.9.2多模激光的一阶统计性质 cjO %X OW@) 6 思考练习题3 N81M9#,["~ S&Xl Mu 第4章激光的基本技术 mT UoFXX[ -{9mctt/gE 4.1激光器输出的选模 =>evkaj RjO0*$>h 4.1.1激光单纵模的选取 dPf7o
)S`[ gK 4.1.2激光单横模的选取 &nI>`Q' G%>[7 ] H 4.2激光器的稳频 PUZcb+%]h !.t D.(XP 4.2.1影响频率稳定的因素 TBO g.y] = _ N[mR^ 4.2.2稳频方法概述 BKb#\(95* 6<QC|>p 4.2.3兰姆凹陷法稳频 B9$f y).Gp .QZjJ9pvK 4.2.4饱和吸收法稳频 &IzNoB *l"CIG' 4.3激光束的变换 4cPZGZ{U ~x<?Pj 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 (U#
Oj" 8-k`"QI= 4.3.2高斯光束的聚焦 5G(dvM-n )1Y?S; 4.3.3高斯光束的准直 h!|U j ;fW~Gb?" 4.3.4激光的扩束 bolG3Tf| ;s3\Z^h4kd 4.4激光调制技术 hwL`9.w 8Yf*vp>T/x 4.4.1激光调制的基本概念 jn(!6\n" ZS(%!+ M 4.4.2电光强度调制 /d:hW4}<}. vxC];nCC# 4.4.3电光相位调制 <rK[ &JlJ }+pwSjsno 4.5激光偏转技术 tvFe_*Ck .Tq8Q dl 4.5.1机械偏转 /^k%s G@? [TUs^%2@ 4.5.2电光偏转 (Sgsy^|N %g@\S R. 4.5.3声光偏转 " JLE c^pQitPv 4.6激光调Q技术 "a~r'+'< {,h_T0D^j 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q ,Z b ty"L&$bf 4.6.2调Q原理 k+P3 z&e 2YY4 XHQS 4.6.3电光调Q ]cS(2hP7 *c/V('D/ 4.6.4声光调Q =p=/@ FN F!u)8>s+z{ 4.6.5染料调Q {6RA~ UF-'( 4.7激光锁模技术 >bQOpGy}l 9@q!~ur 4.7.1锁模原理 7.ein:M|CB j$/#2%OVN 4.7.2主动锁模 6fI2y4yEz -.M J3 4.7.3被动锁模 LA lX |b Et(H6O 8 思考练习题4 ^AJ
2Y_}v CdmpKkq# 第5章典型激光器介绍 G/},lUzLg F
{L# 5.1固体激光器 >]gB@tn[ er-0i L@ 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 \ctzv``/n *aWh]x9TlU 5.1.2固体激光器的泵浦系统 MnF|'t ^ w``(-[* 5.1.3固体激光器的输出特性 v@yqTZ ( 2L ,m 5.1.4新型固体激光器 O{\<Izm`D ~aQR_S 5.2气体激光器 t g-(e=S4P ',WJ'g 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 A nk_;jo Vn{;8hZ :a 5.2.2二氧化碳激光器 {v=[~H>bt \I4Uj.'> \ 5.2.3Ar＋离子激光器 OGJrwl G9QvIXRi 5.3染料激光器 O NcL hwH Et-|[ eL 5.3.1染料激光器的激发机理 *? uUP k{F6 WQ7 5.3.2染料激光器的泵浦 Viw,YkC Ti0kfjhX7 5.3.3染料激光器的调谐 Op~:z<z 4f8XO"k7t= 5.4半导体激光器 <zvtQ^{] e@ Ev'] 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 PZZPx<?N 7SYe:^Dx 5.4.2PN结和粒子数反转 |4j6}g\ S[/udA 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 . a @7 #Y-_ kQV* 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 wG)[Ik6: cyHbAtl 5.5其他激光器 i(.PkYkaq b3%a4Gg& 5.5.1准分子激光器 ebCS4&c pG)dF@ 5.5.2自由电子激光器 k$J!, !q eS
?9}TG| 5.5.3化学激光器 z4( \yx $J)`Ru6. 思考练习题5 udr|6EjD. *,O3@,+>H 第6章激光在精密测量中的应用 <GQ=PrT|/ $qZ6i 6.1激光干涉测长 ZK'W KC KOXG= P0 6.1.1干涉测长的基本原理 )*u o tV $/#[, 1 6.1.2激光干涉测长系统的组成 +=|%9% AOcUr) 6.1.3激光外差干涉测长技术 i-4L{T\K T9r6,yY 6.1.4激光干涉测长应用举例 N :+EGmp hmuh q:<f 6.2激光衍射测量 3jJV5J'" p*Y V*Arv 6.2.1激光衍射测量原理 b{-|q6 J
n2QvUAZ& 6.2.2激光衍射测量的方法 MuzQ z.C S-Vxlku] 6.2.3激光衍射测量的应用 Q u8=zI>t 7!Im|7Ty 6.3激光测距 XA. 1Y) \fI05GZ 6.3.1激光脉冲测距 N;!!*3a9= j8^ #698X 6.3.2激光相位测距 *nHMQ/uf ScVbo3{m*T 6.4激光准直及多自由度测量 c`lL&*] I|;zGmg#k 6.4.1激光准直仪 4JO 16 *u,&?fCl 6.4.2激光衍射准直仪 .s41Tc5u T4ugG?B* 6.4.3激光多自由度测量 >nvK{6xR: ).e}.Z6[i` 6.5激光多普勒测速 LZs'hA<L J#3[,~ 6.5.1运动微粒散射光的频率 YG0b*QBY~ ( 'dbMH\O 6.5.2差频法测速 `0q=Z], w r ,+9uK 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 G6x 'Myg I (./Iq#@S 6.6环形激光测量角度和角加速度 )g3c-W= P ( Y\l 6.6.1环形激光精密测角 b^}U^2S% ; }ThBb3 6.6.2光纤陀螺 gCVOm-*: 4_'B oU4 6.7激光环境计量 ICe;p
V i;|I; 5tC 6.8激光散射板干涉仪 q3K}2g >+!Ef 思考练习题6 @g" vuaG} -'*<;]P+. 第7章激光加工技术 UL%a^' hR 4mX?PKvbn 7.1激光热加工原理 ;7H^;+P 3%Q9521 7.2激光表面改性技术 Co=Bq{GY em- <V5fb 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 :c8d([)$ ZY t < O 7.2.2激光表面熔凝技术 %yl17:h# qFq$a9w|@ 7.2.3激光熔覆技术 0O ]v| `(I$_RSE") 7.3激光去除材料技术 Y"m(hs $ x_C0=Q|K3 7.3.1激光打孔 Jm< uE]9 NN5Ejr, 7.3.2激光切割 qTMY]=( %p&y/^=0I 7.4激光焊接 )DlKeiK \ptjnwC^O 7.4.1激光热导焊 yg~@} _C2_ .`v%9-5v
7.4.2激光深熔焊 9zIqSjos" *BF[thB:a 7.4.3激光复合焊 %so{'rQl A&WC})H5 7.5激光快速成型技术 E7aG&K =1,1}OucP 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 Sw5-^2x0' kB oQjOV` 7.5.2激光快速成型技术 _z 5W*..
fz2}M :u 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 B##X94aTT JAXD\StC 7.6其他激光加工技术 y%k Z # # Vry _X2 7.6.1激光清洗技术 ;_E|I=%'E !7MRHI/0C 7.6.2激光弯曲 6CW5ay_,
~vM99hW 思考练习题7 Z|ZB6gP>h1 S'hUh'P Z 第8章激光在医学中的应用 zEukE A^9` MOnTp8 8.1激光与生物体的相互作用 { w sT q(~|roKA( 8.1.1生物体的 光学特性 Ud e ?[6 TOS '|xQ 8.1.2激光对生物体的作用 ;YW@ 3F-h 6DgdS5GhT_ 8.1.3激光对生物体应用的优点 v_WQ<G? V{A`?Jl6{ 8.2激光在临床治疗中的应用 SO[ u4b_"h *)6\ V}` 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 X;l/D},. PiCGZybCA 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 uLPB l~Y
af9KtX+ 8.2.3激光在眼科中的应用 lI.oyR' FOMJRq 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 c-n/E. E j0a=v}j3 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 %b4tyX:N0 FU>K iBV# 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 DZ\K7- .5}G t>4XM 8.2.7光动力学治疗 /S1/ ZI c< MF:|(} 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 8UqH"^9.Q7 .j k
A'i@ 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 ?h%Jb^#9 5I^;v;F 8.3.2激光断层摄影 3JBXGT0gJ '=#fELMW 8.3.3激光显微镜 =y )K er N)R5#JX 8.4医用激光设备 n_9 Ex&?e QKlsBq 8.4.1医用激光 光源 NX.5 u8Pf `& OX|mL^w 8.4.2医用激光传播用 光纤 !Hl] & [w|Klq5 8.5激光应用于医学的未来 _ezRE"F5 $/;K<*O$ 8.5.1医用激光新技术 _N^w5EBC] W{tZX ^| 8.5.2光动力学治疗的前景 0gaHYqkA>} )OxcCV?5Z 思考练习题8 g3>>gu#0DC {ilz[LM8( 第9章激光在信息技术中的应用 <p*k-mfr ,p# B5Dif/ 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 -D'Xx OI F4= =a8 9.1.1半导体激光器 kmc"`Ogotw Y7r;}^+WY 9.1.2光纤激光器 NjOUe?BQ ~~-VScG& 9.1.3光放大器 2%`=
LGQC /o 'lGvw 9.2激光全息三维显示 PS+~JwD Uc W.jXO"pN 9.2.1全息术的历史回顾 % ym};7'&b 1Z @sh>X| 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 Rk3
bZvj3 2HN*j~>i~ 9.2.3白光再现的全息三维显示 E1OrL.A6 P@vUQ 9.2.4计算全息图 Q+9:]Bt rlY0UA, 9.2.5数字全息术 /YH O"4Z ~U"m"zpLP 9.2.6全息三维显示的优点 TaBya0- 'k cR :5B 9.2.7全息三维显示的应用 "YgpgW Q'Osw" 9.2.8全息三维显示技术的展望 3,{eH6,O7M O=RS</01! 9.3激光存储技术 j _N<aX &TQ~!ZMOR" 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 pQ:^ ziwa3 qfE0J;e 9.3.2激光光盘存储 u*)/e9C }" vxYB!h3 9.3.3激光体全息光存储 K8X7I E J~]@#=,v 9.3.4激光存储技术的新进展 7N[".V]c
1?FG3X 5 9.4激光扫描和激光打印机 Rq5'=L :! oJmvy 9.4.1激光扫描 )PP yJ@M ~. vridH 9.4.2激光打印机 BL16?&RK a- rR` 9.5量子光通信中的激光源 eb\S pdM6 ',0:/jSz 9.5.1量子光通信 e,e(t7c?d rtJER?A 9.5.2量子态发生器及应用 M
x#L|w`r ?I[8rzBWU 思考练习题9 WT<}3(S'? CE`]X;#y 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 nXLz <wE V RQ`-# 10.1激光核聚变 g&xj(SMj-$ 6 -_g1vq 10.1.1受控核聚变 I$t8Ko._" h2Nt@ 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 y%i9 b&gDd rC^ 5Z 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 M0fN[!*z lK=Is
v + 10.2激光冷却 iF^qbh%%E /f1]U
LmC: 10.3激光操纵微粒 H%vfRl3rB ?pW 1}: z
10.3.1光捕获 72OqXa* @-dGZ 5 10.3.2微粒操纵 *HR
pbe2 Z &Ob,Ru 10.4超越经典衍射极限的分辨率 w{*kbGB8s7 s`bGW1#io 10.4.1解析延拓 +Pl)E5W!=` *pwkv7Z h 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 \s*UUODWK HXKM<E{j 10.4.3傅里叶叠层算法 m etn& vYV!8o.I 10.4.4相干谱复用 }g/u.@E d*d:-f~q 10.4.5非相干结构光 照明成像 ih0a#PB8 ~p s,U 10.4.6超分辨荧光显微镜 0Gs\x _,L_H[FN 10.5激光光谱学 }( F:U# p*Q-o 10.5.1拉曼光谱 k5Cy/gR (& SU)Uvu 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 LsWD^JE. W9%v#;2 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 ^\ x'4!W + kKanm[!v 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 GfELL `yz S<i1t[E @W 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 6AJk6 W^Z %JE>Z] 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 t <` As6} (S RY(q 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 _s5^\~a o |iH MAo 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 / rc[HbNg. Wm6qy6HR 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 J]TqH`MA ^yPZ$Q 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 -r sbSt ?_ dHIk3j-! 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 ;| vP|Xi 53:~a 思考练习题10 S9l,P-X` s<{ Hu0K$ 附录A随机变量 $$m0mK ~wDXjn"U& A.1概率的定义和随机变量 **h4M2'C
%!nI]| A.2分布函数和密度函数 >O\+ 9T@ csW\Q][ A.3推广到两个或多个联合随机变量 :*KTpTa =Mx"+/Yo* A.4统计平均 y-3'qq' E jXeE]A" 附录B随机过程 \~*<[.8~ V,rc&97 B.1随机过程的定义和描述 c`xNTr01 F~6]II B.2平稳性和遍历性 *,Bm:F<m m&gd<rt/ 参考文献 j<~Wp$\i7> !*:g??[T  >Y08/OAI.2 V #w$|2 （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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