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。 `5
Iaz ")Qhg-l  G]zyx"0Sqb LV@tt&|N
第1章辐射理论概要与激光产生的条件 {F ',e~}s !W/"Z!k 1.1光的波粒二象性 KnC:hus PVaqKCj:6W 1.1.1光波 .&2~g A |_m N:(3 1.1.2光子 }v6@ yU ,t
+sw4 1.2原子的能级和辐射跃迁 qF Xx/FZ o[ %\W 1.2.1原子能级和简并度 ]([^(&2 Z '~Ie~ 1.2.2原子状态的标记 G=PX'dS 9`tSg!YOh 1.2.3玻尔兹曼分布 &AnWMFo r2m&z%N & 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 l#TE$d^ym J1Run0 1.3光的受激辐射 m,)o&ix1 g\1|<jb3 1.3.1黑体热辐射 uj@ d {AQ CU@}{}Yl 1.3.2光和物质的作用 <72q^w ^$s&bH'8 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 Z p/$:ny <>H^:iqn 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 Y)2#\ F rgF4 W8 1.4光谱线增宽 4{ [d '-H5 =wlPm5 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 9qvl9,*g ;KgDVq5 1.4.2自然增宽 [l}H% S $f=6>Kn|^] 1.4.3碰撞增宽 zEt!Pug V Ig6' 1.4.4多普勒增宽 3_"tds <L m qwJya 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 Vwb_$Yi+] C{~O!^ 2G 1.4.6综合增宽 mrBK{@n ;;+h4O ) 1.5激光形成的条件 MzH'<`;BP u82 (`+B 1.5.1介质中光的受激辐射放大 :LCyxLI PMT} fg 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 $LVzhQlD Y
h53Z"a 思考练习题1 5\}E4y 3vdFO: j 第2章激光器的工作原理 l{*Ko~g 0O a&vx 2.1光学谐振腔结构与稳定性 kH`?^ ^_yJ V''fmW o7 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 3H|drj:KV 8nwps( 3 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 3taGb>15 i,t!17M : 2.1.3稳定图的应用 ^SK!? M \VWgF)_ 2.2速率方程组与粒子数反转 @^/aS;B$> 2#ZqGf .'v 2.2.1三能级系统和四能级系统 gq@8Z
AWn nu Vux5: 2.2.2速率方程组 #8 ~ygEa} iN c!z A4 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 8`6G_:&X 5H 1N]v+ 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 *qu5o5Q &xZ SM, 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 j+e~
tCcN/ 5~ZzQG 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 o2cc3`*8d ,U)&ny 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 K v)} Uf
M Q?(, 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 *Ms &WYN- !c dY`f6x 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 QN|=/c<U
e<(6x[_ 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 ;&'r yYrex ZH*h1?\X 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 sVGQSJJ5 sPVE_n 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 \hn$-'=4 1;'-$K`} 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 eoXbZ V.6p fL 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 *? $ M=tH 5SZ a, +] 2.5激光器的损耗与阈值条件 Q*M(d\V s /Kq'3[d8 2.5.1激光器的损耗 c&,q`_t J Vxja<43 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 *_7/'0E(3 Ftd,dqd 2.5.3阈值条件 |,~
)/o_R .<J v= 2.5.4对介质能级选取的讨论 &,=FPlTC= Go^TTL 思考练习题2 OhMJt&s9P= -S n'${2 第3章激光器的输出特性 TI\xCIH MT:VQ>f C 3.1光学谐振腔的衍射理论 OZd
(~E dsj}GgG?Z 3.1.1数学预备知识 W/b)OlG"2 Jgg< u# 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 ||.Hv[
]V* 4=EA3`l 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 0w0{@\9 (9kR'kr 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 0
x' d^ sHMO9{[7H 3.2对称共焦腔内外的光场分布 &%GAPs% Y/"t! 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 S WY nm& pn*1 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 {qbe
ye! rGXUV`5Na 3.3高斯光束的传播特性 Sk 1t~ "a}fwg9Y 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 Hb::;[bm: }ijQ*ECdl 3.3.2高斯光束的相位分布 S D{ )Sq @6UZC-M 0 3.3.3高斯光束的远场发散角 PB7- `uz 3-, W?
"aC 3.3.4高斯光束的高亮度 al-r gh ^jUw4Dj~-q 3.4稳定球面腔的光束传播特性 GN9kCyPK uwr7 .\ 7 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 deVn Au = 3fB]uq+eD% 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 >`SeX: 4#7*B yvf 3.5其他几种常用的激光光束 <Z<meB[g V>,=%r4f 3.5.1厄米-高斯光束 EwU)(U K MpG G}J[y 3.5.2拉盖尔-高斯光束 xE]y*\ '6WS<@%} 3.5.3贝塞尔光束 "y&`,s5} :$,MAQ'9 3.6激光器的输出功率 {>9ED.t FKz5,PeL 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 Qubu;[0+a v=0G& x=/ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 h~](9 e s q t*+ D 3.7激光器的线宽极限 R3l{.{3p2 m 8b,_1 3.8激光光束质量的品质因子M2 |*UB/8C^/! {, +c 3.9模式激光的某些一阶统计性质 M<n'ZDK `W ujS oWs 3.9.1单模激光的一阶统计性质 QDV+( $--+M
D29Q 3.9.2多模激光的一阶统计性质 w4Df? )Z ?6&8-zt1? 思考练习题3 F ;8Q`$n -~ l q <M 第4章激光的基本技术 A)>#n) Es)|#0m\x@ 4.1激光器输出的选模 1^X)vck htR.p7&Tn 4.1.1激光单纵模的选取 ,!^5w,P: 2M'dT Xz 4.1.2激光单横模的选取 )Hmf=eoc ,NS* `F[O 4.2激光器的稳频 FA$32*v j]<K%lwp 4.2.1影响频率稳定的因素 PWiUW{7z , >S7c 4.2.2稳频方法概述 H(K
PU1lDw 4fC:8 \A 4.2.3兰姆凹陷法稳频 nWY^?e'S \rzMgR$/rj 4.2.4饱和吸收法稳频 >20d K [i ~qVn2vT 4.3激光束的变换
Pap6JR{7 h )5S4) 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 (H !iK,R !p/?IW+ 4.3.2高斯光束的聚焦 E K V[cq 9%iQ~
4.3.3高斯光束的准直 !Vw1 w1 n *=#jL 4.3.4激光的扩束 ;VAyH('~ SnmUh~`L~ 4.4激光调制技术 o25rKC=o !h7.xl OpN 4.4.1激光调制的基本概念 Gw$ 5<%sB #Ir?v 4.4.2电光强度调制 poxF`a6e+ 9"]#.A^Q* 4.4.3电光相位调制 n@p@ @ +lq Gf 4.5激光偏转技术 0zB[seyE </ ` \3t 4.5.1机械偏转 \>-
M&C ([dd)QU 4.5.2电光偏转 W
H/.h$ (;},~( 2B 4.5.3声光偏转 A,c XN1V Y -a 4.6激光调Q技术 h7UNmwj HT .*r6Y>g 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q `IUn {I Jq'8" 4.6.2调Q原理 1d<Uwb> 4> >=TJ!M 4.6.3电光调Q d/&>
`[i ,dCEy+ 4.6.4声光调Q i#`q<+/q Oti*"dV\:: 4.6.5染料调Q Zob/H+] sjg`4^!wDD 4.7激光锁模技术 *kl :/# $ z jdCg< 4.7.1锁模原理 zTw"5N `Zm6e!dH- 4.7.2主动锁模 0\ = du E>|X'I?r^ 4.7.3被动锁模 P.,U>m yQD>7%x 思考练习题4 Z_\p8@3aH a,c!#iyl3 第5章典型激光器介绍 +y?Ilkk;j :lcq3iF n 5.1固体激光器 pi?MAE*f {7OHEArv
5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 GBbnR:hM a4__1N^Qj 5.1.2固体激光器的泵浦系统 PC#^L$cg} IT_I.5*A2 5.1.3固体激光器的输出特性 Go)$LC0Mi lb-1z]YwQ 5.1.4新型固体激光器 5*pzL0,Y 3S:Lce'f 5.2气体激光器 m0"K^p Icnhet4 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 # #7y|AwK ecghY=% 5.2.2二氧化碳激光器 ;=ddv@ -) `_w^Ox 5.2.3Ar＋离子激光器 kt/,& oKI >1Z"5F7= 5.3染料激光器 esqmj#G :}lqu24K 5.3.1染料激光器的激发机理 N]A# ecm " <!U 5.3.2染料激光器的泵浦 MEiP&=gX! li r=0oq< 5.3.3染料激光器的调谐 ::|~tLFu z~
c W, 5.4半导体激光器 dI{DiPho 6Yj{%
G 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 ? nd:
:O J?QS7#!% 5.4.2PN结和粒子数反转 l#'V
SFm& 4I$Y(E} 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 L=r*bq -zR<m 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 z feT>S+ {{?g%mQ6 5.5其他激光器 ci~#G[_$S o|kykxcq 5.5.1准分子激光器 ,@`?I6nKy g'(bk@<BP 5.5.2自由电子激光器 .-KI,IU )/T[Cnx.Nc 5.5.3化学激光器 :
uncOd. k{}> *pCU 思考练习题5 >
N~8#C @r TB&>` 第6章激光在精密测量中的应用 lB,1dw2(T $9)os7H7 6.1激光干涉测长 a5 D|#9 bn(N8MFCV 6.1.1干涉测长的基本原理 )U@9 dV7u N~v6K}`} 6.1.2激光干涉测长系统的组成 B>,e HXW 4 ax{Chn 6.1.3激光外差干涉测长技术 ?[ xgt ) (%my:\>l 6.1.4激光干涉测长应用举例 ;M:AcQZ|_ D}_.D=) 6.2激光衍射测量 `H+"7SO -NBVUUAgN 6.2.1激光衍射测量原理 A~?M `L>B `JySuP2~/ 6.2.2激光衍射测量的方法 {q-&! l| ".?4 `@7F\ 6.2.3激光衍射测量的应用 T
ozx0??) 0a~t 6.3激光测距 jm}CrqU )4yP (6|lx 6.3.1激光脉冲测距 0HzqU31%l@ D)d ]o& 6.3.2激光相位测距 Bn}woyJdx $D bnPZ2$ 6.4激光准直及多自由度测量 J]F&4 O Npp YUY 6.4.1激光准直仪 _olQ;{ U: q~ H>rC(\ 6.4.2激光衍射准直仪 %5o2I_C jz Ez3fL&* 6.4.3激光多自由度测量 #[+# bw_6 3_(_yEKx 6.5激光多普勒测速
gjS|3ED @) Qgy}*5 6.5.1运动微粒散射光的频率 l2D*b93 K" #$",}= 6.5.2差频法测速 1- 2hh) 0U '"@A
\ 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 _D '(R Rs %`6et}\ 6.6环形激光测量角度和角加速度 YvR bM ]}2)U 6.6.1环形激光精密测角 =RoG?gd{R 3BFOZV+ 6.6.2光纤陀螺 UcRP/LR%C TZn
15-O 6.7激光环境计量 %w;qu1j slQ n 6.8激光散射板干涉仪 H>~ CL d:=' Xs 思考练习题6 ){^J8]b7# ++cS^ Lo 第7章激光加工技术 r&gvP|W% @X==[ gQ 7.1激光热加工原理 :U6` n p.DQ|? 7.2激光表面改性技术 $y(;"hy PX:#+bq1 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 djd/QAfSC 6u[fCGi% 7.2.2激光表面熔凝技术 w"hd_8cO Cf%
qap# 7.2.3激光熔覆技术 Aoe\\'O|V k Dmm 7.3激光去除材料技术 I /E 9: 7J'%; sH 7.3.1激光打孔 0vY_ 2+1ybOwb 7.3.2激光切割 inut'@=G/ #<{v~sVp& 7.4激光焊接 `TrWtSwv Ge^`f<f 7.4.1激光热导焊 1I Xtu zakhJ 7.4.2激光深熔焊 N} EKV FI.te3i?7 7.4.3激光复合焊 ,9&cIUH f Y<#KM6X 7.5激光快速成型技术 NL2 1s e rH@Rh}#yp 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 HDe\Oty_ #M-!/E 7.5.2激光快速成型技术 N
J3;[qJ G m~ . /- 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 \"lz,bT .9~j%] q 7.6其他激光加工技术 =L W!$p mLCD N1UO{ 7.6.1激光清洗技术 &
3#7>oQ 3>O|i2U 7.6.2激光弯曲 #2tmi1
ya Q}BMvR 9w 思考练习题7 ImXYI7PL b8Wt NVd 第8章激光在医学中的应用 1@]&iZ ] d NACE*g;q 8.1激光与生物体的相互作用 *`>BOl+ro L2H 8.1.1生物体的 光学特性 p9v:T1 ? jJ$\ WUQ. 8.1.2激光对生物体的作用 kK &w 5' ~\":o:qyc 8.1.3激光对生物体应用的优点 {
I #>6 BP/nK. 8.2激光在临床治疗中的应用 kR =sr/{ mU5Ox4>&9 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 W +h2 rv BgQEd@cN 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 mixsJ}e rc_m{.b 8.2.3激光在眼科中的应用 >kXscbRL7 abo=v<m R 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 ;V,L_"/X ,#Z%0NLe 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 aOD h5 kwjO5 OC8 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 :=Olp;+_ 2<D | { 8.2.7光动力学治疗 ]$smFF xf ,[F8 2y 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 5m8u :6kQu vJ WBr:`L 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 nCQtn%j't )Q 2I YCj{ 8.3.2激光断层摄影 "i0>>@NR' F0$w 9p 8.3.3激光显微镜 T$;S Q'Ot Xs 80 8.4医用激光设备 ,`geOJn'
n`,
<g 8.4.1医用激光 光源 { 4 J. VbX P7bZ 8.4.2医用激光传播用 光纤 VLXA6+ JK$3qUDnI 8.5激光应用于医学的未来 8$IKQNS jVff@)_S 8.5.1医用激光新技术 YBt=8`r 9nFL70 8.5.2光动力学治疗的前景 2Q6;SF"Z ng}C$d . I 思考练习题8 $qD\ku;' sVHF\{< 第9章激光在信息技术中的应用 g,,wG k }UPC~kC+Z 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 #^}H)>jWy Xg dBLb 9.1.1半导体激光器 q` xc h [H Z^kE]Ir#EV 9.1.2光纤激光器 M%E<]H2;S Wga2).j6 9.1.3光放大器 DNGyE C
HE&)N
clY 9.2激光全息三维显示 .W{CJh eoiz]L 9.2.1全息术的历史回顾 Spn[:u @ $1.-m{Bd 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 Z9 vMz3^N C. ?^] Y 9.2.3白光再现的全息三维显示 m.D8@[y WA Riw[
9.2.4计算全息图 H_&to3b( w)7y{ya$ 9.2.5数字全息术 7 yE\, 6kAAdy}ck 9.2.6全息三维显示的优点 a2P)@R UFj H8jSBx 9.2.7全息三维显示的应用 +La2-I _=HaE&
9.2.8全息三维显示技术的展望 #D9.A7fCc5 L3b0e_8>R 9.3激光存储技术 SH)-(+72d N K0'\~7& 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 u8c@q'_ v]EMJm6d| 9.3.2激光光盘存储 (WHg B0{ -,y p?< 9.3.3激光体全息光存储 d*8*9CpO: 5aaM;45C 9.3.4激光存储技术的新进展 (.UU4 0:t {0,b[ 9.4激光扫描和激光打印机 30v xOkS l`"?K D 9.4.1激光扫描 t=B1yvE " !q&T d 9.4.2激光打印机 F^GNOD3J ,zgz7 9.5量子光通信中的激光源
h(=<-p @ 3)Wf BvG 9.5.1量子光通信 4E M+ Ye !h #ZbErW 9.5.2量子态发生器及应用 LG8h@HY&L ]W;6gmV 思考练习题9 Yr nC'o`
!q+ # JW 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 dFBFXy z)M#9oAM 10.1激光核聚变 NVRzthg%c_ #1-WiweO 10.1.1受控核聚变 wG49|!l6T (RFH .iX 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 $
64up! m ""+ $ 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 ]E Kg) E glLVT
i 10.2激光冷却 h^g0|p5 h/ n( 10.3激光操纵微粒 )
A:h UN'n~d @~ 10.3.1光捕获 OKh0m_ )7 Lf((
zk:pt 10.3.2微粒操纵 a,Pw2Gcid ~B|m"qY{i 10.4超越经典衍射极限的分辨率 nF'YG+;|@ Ry >y 10.4.1解析延拓 Gko"iO# X $ 5 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 2PAu>}W* Oa/zE H 10.4.3傅里叶叠层算法 1(@$bsgu2 a Vu!Qk=Z/ 10.4.4相干谱复用 E !ndXz 59 kt rIi5B 10.4.5非相干结构光 照明成像
2yJ{B " AUSgVE+h 10.4.6超分辨荧光显微镜 `h@fW- r 'Ou C[$Z 10.5激光光谱学 R ` ViRJh O[VY|.MEk 10.5.1拉曼光谱 _Z(t**Zh6y Wh i#Ii~ 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 k\[(;9sf. s)- ;74( 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 l~"T>=jq3 Q3WI @4 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 Dy.i^`7\ %rb$tKk 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 "`ftcJUd F6}RPk\=i 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 &P b:P?I &B&8$X 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 #DgHF*GG+> *|S6iSn9R! 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 0{b} 1D U,P>P+\@ 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 {V/>5pz4e SO6)FiPy!n 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 XSC=qg$
@?<[ //1 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 f(pq`v^-n 3A`Gx# 思考练习题10 bVUIeX' ;(?tlFc 附录A随机变量 x.-d)] a ! ?)1Y|W'Rv A.1概率的定义和随机变量 aG]>{(~cL / -p!|T}w A.2分布函数和密度函数 FL{?W (M +7b8 ye A.3推广到两个或多个联合随机变量 GS>[A b+ Jx5` 0? A.4统计平均 jn5xYKv yIL=jzm`7 附录B随机过程 tq59w 83c2y;|8 B.1随机过程的定义和描述 I5M\P K/ \Sd8PGl*' B.2平稳性和遍历性 ]QaKXg)3q > S I'Q7k 参考文献 gNEcE9y 2 :rL%,o"  M<Wi:r: lfj5?y （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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