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。 / SLAg& WJH)>4M# }(}+I}&~ ?QzA;8 H 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 K \?b6;ea j 8lWra\y 1.1光的波粒二象性 1Ql\aO) }%j@%Ep[ 1.1.1光波 1PwqW g-\\ ppv/ A4Kv 1.1.2光子 eUiJl6^x +q z"+g 1.2原子的能级和辐射跃迁 9 C-!I, >s\ j/yM 1.2.1原子能级和简并度 Ift @/A Q4YIKNN|7 1.2.2原子状态的标记 g[P.lpi{U CuE>=y- "I 1.2.3玻尔兹曼分布 _ J<^'w^;% etY/K0 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 7nh,j <~;2 +.i?UHNB 1.3光的受激辐射 C)2Waj} ZzDE 1.3.1黑体热辐射 PA5_ Z ,'#=K 1.3.2光和物质的作用 idL6 *%M [K2\e N~g 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 ]6wo] nV[P }m6zu'CV 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 aL6 3=y IvLo&6swW 1.4光谱线增宽 *W()|-[V 3 z6B(}(D 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 "^A4 !. &<</[h/B/F 1.4.2自然增宽 vB0O3] MPt:bf# 1.4.3碰撞增宽 INQ0h `T } $:uN 1.4.4多普勒增宽 sS$"6 ; aA,H& 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 Yh%a7K 79:Wo>C3- 1.4.6综合增宽
y( M- *Vk%"rw aG 1.5激光形成的条件 WB S~e i#I+ 1.5.1介质中光的受激辐射放大 &V;^xMO! xpo<1Sr>S 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 klC;fm2C b-}nv`9C 思考练习题1 )+]8T6~
N ,o(7z^1Pe; 第2章激光器的工作原理 Y,O )"6ev 4_3O?IY 2.1光学谐振腔结构与稳定性 -!E ))|A 3`@al hD' 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 f&+=eUp N>z<v\` 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 Do@:|n ]"SH
pq 2.1.3稳定图的应用 s jOyg!e 19od#
d3+ 2.2速率方程组与粒子数反转 neW_mu;~Z e(/~;"r{ 2.2.1三能级系统和四能级系统 G #.(% , Uf^zA/33 2.2.2速率方程组 !a&@y#x 9z9z:PU 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 :O:Rfmr ~ a\an 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 $x&@!/&|pv /{pVYY 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 41luFtE9 %AbA(F 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 /6 0 `"xH d%l_:M3 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 'LZF^m _<< y=y=W5#;77 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 iTTe`Zr5y 'Z LGt# 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 $Xf1|!W%a% nOxCni~ T 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 0ra VC=[ .5+*,+- 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 < VD^f Hl"rGA> 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 l,}{Y4\G qJ QE|VM& 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 ?c)PBJ+] XHu Y'\;- 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 910Ym!\{: z)Xf6& 2.5激光器的损耗与阈值条件 ;+]9KIa_Pq 7sECbbJT 2.5.1激光器的损耗 6|U0"C# ] *_ d+c G 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 /sY(/ J E Q+|8|V} w 2.5.3阈值条件 eUvIO+av <VV./W8e9 2.5.4对介质能级选取的讨论 Q!/<= 95E %&KJtKe 思考练习题2 z'a#lA.$} %+oWW5q7 第3章激光器的输出特性 4 fBgmL _+0l+a*D 3.1光学谐振腔的衍射理论 GF5WR e(E w)-@?jN 3.1.1数学预备知识 X1U7$/t 6GCwc1g 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 BQVpp,] >E^?<}E~. 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 4kGA`Xh S* \KfngYD]W 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 5 VIpA $|.x !sA 3.2对称共焦腔内外的光场分布 F\ !;}z Q:Q) -|, 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 ~[XDK`B ($*bwqp]} 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 T[M?:~ "~x\bSY 3.3高斯光束的传播特性 #.p^ S0\pw E> Ukxi1 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 21GjRPs\ quc?]rb 3.3.2高斯光束的相位分布 k$kq| 2%0z PflT 3.3.3高斯光束的远场发散角 q@;WXH O0 f9H;e(D9] 3.3.4高斯光束的高亮度 y [e $ uy\ < t 3.4稳定球面腔的光束传播特性 %? +A.0]E [7B:{sH 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 Mt)~:V+: " |RP_v2 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 5%kt;ODS \~: Kp
Kq 3.5其他几种常用的激光光束 +U&aK dQs <lZyUd 3.5.1厄米-高斯光束 (:E_m|00; e:{v.C0ez 3.5.2拉盖尔-高斯光束 Vnuz!
6. Py\xN 3.5.3贝塞尔光束 STu!v5XY}- ,(Fo%.j 3.6激光器的输出功率 SQ5SvYH @PuJre4!;L 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 RL |.y~ )0`; leli 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 |J 2 _2a/" !> b>"\b 3.7激光器的线宽极限 W3* BdpTw 7a0Z I 3.8激光光束质量的品质因子M2 [ CBA Lj5 Z_F:H@-& 3.9模式激光的某些一阶统计性质 iZ#dS}VlJ :bwdEni1P 3.9.1单模激光的一阶统计性质 a#FkoA~M E-_)w 3.9.2多模激光的一阶统计性质 /,$;xt-J35 9 Am&G 思考练习题3 Ei Wy` H; Qi2yaEB 第4章激光的基本技术 <ro0}%-z>M *3WK:0 4.1激光器输出的选模 ;YNN)P%" 2NAGXWE 4.1.1激光单纵模的选取
Tn2Z{.q$ JV(eHuw 4.1.2激光单横模的选取 7^'TU=ss_ '|&}rLr:+ 4.2激光器的稳频 \k0%7i[nZ/ }
IFZ$Y 4.2.1影响频率稳定的因素 ]B=B@UO@. ?XL [[vyr 4.2.2稳频方法概述 }$#e&&)n K CJ zE> 4.2.3兰姆凹陷法稳频 r4dG83qg -"u}lCz> 4.2.4饱和吸收法稳频 *XS@K u (~xFd^W9o 4.3激光束的变换 ^ $Q', [J\5DctX;c 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 W=} l=o!G. znhe]&Fw 4.3.2高斯光束的聚焦 [U a4{3# H`]nY`HYg 4.3.3高斯光束的准直 ^i_mG eu j]rE0Og 4.3.4激光的扩束 }Xyu" P pA3j@ w 4.4激光调制技术 f}^}d "&F l@Ma{*s6=5 4.4.1激光调制的基本概念 [%;LZZgl 'cy35M 4.4.2电光强度调制 nf +8OH7 su j? e6 4.4.3电光相位调制 3ag*dBbs ps"crV-W 4.5激光偏转技术 gg'lb{oG pD##lkJr 4.5.1机械偏转 dm,7OQ AOWX=`J8V 4.5.2电光偏转 s#;|8_L
M ]kbmb O?M 4.5.3声光偏转 @!'Pr$` XD{U 5.z>y 4.6激光调Q技术 K8Gc5#OF |4YDvDEJi 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q /u!I2DF ' [I_Iu#, 4.6.2调Q原理 P[ n` X sI/Hcm 4.6.3电光调Q 7A8jnq7m/ =#^%; 6 6z 4.6.4声光调Q t9&)9,my !EF~I8d\] 4.6.5染料调Q +
htTrHjt gZ
4.7激光锁模技术 CY)/1 # J x8.7])?w 4.7.1锁模原理 `"H!=` Y4 ){{bEp 4.7.2主动锁模 }+#- \ a2 $Eg|Qc-1 4.7.3被动锁模 @JT9utct 3qiE# +dC 思考练习题4 +8."z"i3lE Q7&Yy25 第5章典型激光器介绍 "@ Bc eD W)1)zOD 5.1固体激光器 6LL/wemq gH Q[D|zu 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 LVq3 R 8A y1,L0v$=} 5.1.2固体激光器的泵浦系统 %h g=@7,| yTz@q>6s- 5.1.3固体激光器的输出特性 .UakO,"z \2U^y4K. 5.1.4新型固体激光器 YM
0f_G= Ym(^ i h 5.2气体激光器 UA!h[+Z Z}T<^
F 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 @L { x ; i?z3!`m 5.2.2二氧化碳激光器 Z%D*2wm4 49bzHEqZ 5.2.3Ar＋离子激光器 8*6vX! Z| >J[g)$, 5.3染料激光器 R/ waWz\D ?xGxr|+a
5.3.1染料激光器的激发机理 >{~W" }$hxD 9z 5.3.2染料激光器的泵浦 pNcNU[c =8X`QUmT 5.3.3染料激光器的调谐 00Tm0rY :J@q
Xa 5.4半导体激光器 Vpt)?];P Z 7t 0=U 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 {lT9gJ+ e,={!P"f 5.4.2PN结和粒子数反转 qo} -m 7 S59!+V 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 @BbZ(cZ* w
(W+Y+up 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 +h pXMO%? =%znY`0b56 5.5其他激光器 ;o ,t * @b=tjQO_ 5.5.1准分子激光器 8X!UtHml yHurt>8b[ 5.5.2自由电子激光器 <&n3 " /,"Z^= 5.5.3化学激光器 p^&' C_? hmtRs]7 思考练习题5 k~>9,=::d }Jk.c~P) 第6章激光在精密测量中的应用 u6'vzLmM Ms<^_\iPN 6.1激光干涉测长 95_ ?F7}9 9r
fR 6.1.1干涉测长的基本原理 }; + ' 'X_iiR8n@p 6.1.2激光干涉测长系统的组成 : :uD%a zd GD}3 r:wDs 6.1.3激光外差干涉测长技术 'd]9u9u r62 x*?/ 6.1.4激光干涉测长应用举例 Hig=PG5I y%|nE(( 6.2激光衍射测量 !3DWz6u K? BWl:^x 6.2.1激光衍射测量原理 i92{N$*x +e)So+.W 6.2.2激光衍射测量的方法 -3/:Dk`3 { Y|h;@j$ 6.2.3激光衍射测量的应用 gT<E4$I69 zG[fPD 6.3激光测距 Y)N(uv6 ;8 JJ#ED 6.3.1激光脉冲测距 r[eZV" [@";\C_I 6.3.2激光相位测距 #KXaz Zu" 1T %Y:0 6.4激光准直及多自由度测量 PkLRQ} zpZlA_
6.4.1激光准直仪 {v+i!a'+ ?#qA>: 2, 6.4.2激光衍射准直仪 @ ~ N:F~ 0Q;T
<% U 6.4.3激光多自由度测量 >L$y|8 O fg8V6FS 6.5激光多普勒测速 req=w; E: Eg3rbqM- 8 6.5.1运动微粒散射光的频率 76c4~IG# tRS^|?? 6.5.2差频法测速 doFp53NhV "@gJ[BL# 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 1i_~ZzX8 q5BJ sw 6.6环形激光测量角度和角加速度 NSOWn]E 2K..
;A$ 6.6.1环形激光精密测角 U# -&%|b$ c?}C { 6.6.2光纤陀螺 >R HK6c *na7/ysT< 6.7激光环境计量 (
]AErz+ |^S[Gr w 6.8激光散射板干涉仪 J,;; `sf 3HO 4 h\mp 思考练习题6 ~`#.ZMO 69cOdIt^D 第7章激光加工技术 .#zx[Io 'an{<82i 7.1激光热加工原理 L -b~# Q&MZ/Nnf 7.2激光表面改性技术 Aw4 Qm2Kf z Rz#0 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 dDi 1{s kX'1.<[ 7.2.2激光表面熔凝技术 B6 x5E y@~.b^?_u 7.2.3激光熔覆技术 '&?47+ W >%qGK-_ 7.3激光去除材料技术 5>j,P vW"x)~B 7.3.1激光打孔 cOOPNa>5_ 8ji!FZ f 7.3.2激光切割 )Si`>o3T-. vD:.1,72 7.4激光焊接 FDbx"%A E"#<I*b 7.4.1激光热导焊
*X*D,
VY qI<*Cze 7.4.2激光深熔焊 ?TMo6S U PgB=<#9 7.4.3激光复合焊 I4m)5G?O2 s<E_74q1 7.5激光快速成型技术 qf2{Te1 Oq*a4_R'YV 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 Vn];vN Cla Yy58v 7.5.2激光快速成型技术 E4}MvV= & |9mM=^ 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 ;f?OT7>kN O5_E"um 7.6其他激光加工技术 m( B6FPjr ~>>o'H6 7.6.1激光清洗技术 Z'S>i*Ts
jd]MC*% 7.6.2激光弯曲 WVy"M D d am.D.o" 思考练习题7 z]Ql/AK ],H%u2GE_ 第8章激光在医学中的应用 /PPk
p9H{ lDMYDy{< 8.1激光与生物体的相互作用 YX^{lD1Jj fkRb;aIl 8.1.1生物体的 光学特性 vFl| D@DK9 ?# 8.1.2激光对生物体的作用 5mE R&SX Cgq9~U ! 8.1.3激光对生物体应用的优点 k^R>x V
' ? yZ,t 8.2激光在临床治疗中的应用 q6 9a-5q g=i|D (". 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 "Hg n2o.;5 Bw{@YDO{ 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 t:m
t9}$d XKks j!'B 8.2.3激光在眼科中的应用 (9Hc`gd)p s Uj#:X 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 (e F 5?I c v#H 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 -{7:^K[)
<=A&y5o 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 <@JU0Z"a= *D4H; P# 8.2.7光动力学治疗 . P =!M (&njZdcb* 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 Xk7zXah }f6.eqBX4 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 T0tG1/O\ Z>CFH9 8.3.2激光断层摄影 B Oh&Db*
9]AKNQq m 8.3.3激光显微镜 !u7WCw.D m /f0_mi,bD 8.4医用激光设备 jg%D
G2 Ln`c DZSM 8.4.1医用激光 光源 K.X% Q,XD k{@z87+& 8.4.2医用激光传播用 光纤 ve K }jIb ^|#CD 8.5激光应用于医学的未来 y{v*iH < J 4S2vBe16 8.5.1医用激光新技术 oiFtPki \>YXPMIk 8.5.2光动力学治疗的前景 g2iSc aP"i_!\.aa 思考练习题8 ]0`[L<_r Z. h`yRhO 第9章激光在信息技术中的应用 F$+_Z~yt3; $&a`zffG 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 m tTJm4 c)E'',-J_2 9.1.1半导体激光器 0K#dWc}"a `8'|g8,wb0 9.1.2光纤激光器 & JF^a B<0lif| 9.1.3光放大器 D ORFK @``!P&h 9.2激光全息三维显示 $6Ty~.RP5H %ecg19~L/} 9.2.1全息术的历史回顾 y-Z*qR? Ue l*:c 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 ~Q6ufTGhpM hwC3[' 9.2.3白光再现的全息三维显示 JFZZ-t;* M
rVtxzH 9.2.4计算全息图 F] ~`57 >O?EFd >E 9.2.5数字全息术 (#
?~^ut D.\p7
NJ 9.2.6全息三维显示的优点 j~L{=ojz% 9D
0ujup 9.2.7全息三维显示的应用 T?% F y#T":jpR 9.2.8全息三维显示技术的展望 "}ZD -O`! xkqt(ng( 9.3激光存储技术 pX2 Ki^)] Y> 7/>x6 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 rV1JJ.I wddF5EcK0 9.3.2激光光盘存储 ' ;$2j ~ %tpt+N ? 9.3.3激光体全息光存储 ob0clJX <0lfkeD 9.3.4激光存储技术的新进展 .Cm wR$u& Nf3Kz#!B 9.4激光扫描和激光打印机 2^Y1S?g. ybB/sShGM 9.4.1激光扫描 P'FI'2cN7 $TR[SMj 9.4.2激光打印机 T>L6 X:d 1_yUv7uhX 9.5量子光通信中的激光源 kw1PIuz4& am@\$Sa4 9.5.1量子光通信 qwVpGNc45 ;pC-0m0Y 9.5.2量子态发生器及应用 L$Ss]Ar= Jz fz y0$ 思考练习题9 LQR9S/?Ld X hTp'2,] 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 YSeXCJ:Iy cMtkdIO 10.1激光核聚变 +[D=2&tmk f<y""0 L9 10.1.1受控核聚变 ) )Aj X whRc Y nJ 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 ("IRv>} 0 L5PN]<~T 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 DJ=miJI' pn'*w 1i 10.2激光冷却 y 37n~~% nCYicB 10.3激光操纵微粒 Mi:$<fEX l |\Q~ D!o 10.3.1光捕获 q.rn ZU > \KBXS} 10.3.2微粒操纵 !U *i13 22(0Jb\_ 10.4超越经典衍射极限的分辨率 [x,_0-_ L?0dZY-" 10.4.1解析延拓 N}zQ)]xz+r +vJ[k 2d 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 xS*f{5Hr8 {3`9A7bG 10.4.3傅里叶叠层算法 8 =J6{{E op[OB= 10.4.4相干谱复用 m#DC;(Pn <Gs)~T#' 10.4.5非相干结构光 照明成像 #*?5 `2Ff2D ^ ? 10.4.6超分辨荧光显微镜 aBol9`6 %mh
K1, 10.5激光光谱学 (x#4BI}L9) 2&06Db ( 10.5.1拉曼光谱 O"_FfwO
a +9,"ne1'e 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 3'*SSZmnOB IjJ3./L!5 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 Bd)Qz(>rw Q4q 3M=0 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 #OH# &{H -F@Rpfrj_# 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 c 7P "1 =f=MtH?0y 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 nv@$'uQRp JdFMSmZ@ 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 f;
>DM #![b9~%WTh 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 ?$
o9/9w ,Q >u
N 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:?@}\^ rp.JYz, 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 )!){4c/ 'mG[#M/Y 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 DX 4uTD Yb 6(KT 思考练习题10 $w#C;2k]N h #'(UZ 附录A随机变量 q_ ']i6 :!'aP\uE A.1概率的定义和随机变量 l 0jjLqm : WF-B=BRZ A.2分布函数和密度函数 jQC6N#L ZGe+w]( A.3推广到两个或多个联合随机变量 Cd dw\|'3 Cf
J@| Rh A.4统计平均 oq(um:m ??ah 附录B随机过程 (X QgOR# C3hnX2"; B.1随机过程的定义和描述 v8Bi 1,g fG2\p&z B.2平稳性和遍历性 3zGxe- UYD( ++ 参考文献 1E=%:? d K/
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