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。 }Lv;! y]im Z4{/ OZT.=^:A S$3JMFA 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 "j -CZ\]U| q; U,s)Uz^ 1.1光的波粒二象性 f5k6`7 Vj] nm+s{ 1.1.1光波 8f7>?BUS, kLY^! 1.1.2光子 .-=vx r \1`O _DF~o 1.2原子的能级和辐射跃迁 i?gSC<a @KA4N` 1.2.1原子能级和简并度 IAEAhqp w*!aZ,P 1.2.2原子状态的标记 I |J/F}@p >MK98(F 1.2.3玻尔兹曼分布 B:QHwzd w:l"\Tm 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 vj*%Q(E6Pt CJ%I51F`X 1.3光的受激辐射 yBRC *0+Vy 3[&C g 1.3.1黑体热辐射 <1 pEwI~ J= L5=G7( 1.3.2光和物质的作用 ]HdCt 3X KU;9}!# 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 +> 9Q/E ^J d
r>@ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 [r-p]"R s 79r@])= 1.4光谱线增宽 LF7SS;&~f %UM
*79 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 %bf Zn9_m "mN q&$ 1.4.2自然增宽 =mGez )T5\ W l Sm 1.4.3碰撞增宽 n jw|JnDv 4 OX^( 1.4.4多普勒增宽 >3_Gw4S*H pm ilrZmm] 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 qFNes)_r 9/7u *>: 1.4.6综合增宽 iX\X >W$P |CzSU1ma 1.5激光形成的条件 frQ{iUx 6&-(&( _ 1.5.1介质中光的受激辐射放大 Lp7SLkwh3M LDD|(KLR*. 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 7)k\{&+P Y<rU#Z #T 思考练习题1 ]7mt[2 Cd Q IgNsz 第2章激光器的工作原理 ^H' \"9;7
jSA jcLR 2.1光学谐振腔结构与稳定性 Q|L ~=9 %[yJ4WL 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 9E tz[`| B]$GSEB 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 Gbw2E&a >U3cTEs cj 2.1.3稳定图的应用 )/EO&F A4ygW: 2.2速率方程组与粒子数反转 CA#,THty QwJyY{O ` 2.2.1三能级系统和四能级系统 ${)b[22": L^F y#p 2.2.2速率方程组 LrK,_)r:~ &f;K}W O 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 !YJs]_Wr p"Z-6m~ 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 4g7)i L^#~ @gtQQxf" 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 (b6NX~G-: n}77##+R&C 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 Wr5V `sM nQ L@hc 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 (3&?w y_l L~>i, 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 %!L9)(}" uOGw9O-d9 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 G/mXq-
J Sg$wi8 2.4非均匀增宽介质的增益饱和
*cnNu T 0P(!j_2m 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 Yir
[!{ W 8!Qv8rf 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 L u0x
(/ eNu7~3k } 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 |B2+{@R &l[$*<P5V 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 ?KI, cl f f1c/c/ 2.5激光器的损耗与阈值条件 D #/Bx[ a+PzI x2 2.5.1激光器的损耗 9!DQ~k% @Pzu^ 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 9?3&?i2- / Qk 4 2.5.3阈值条件 bNoW?8bZ )@'}\_a3[] 2.5.4对介质能级选取的讨论 XEZF{lP _H=Uwi_g 思考练习题2 8Dm%@*B^b ;{o|9x| 第3章激光器的输出特性 BIWW Mg ohGfp9H 3.1光学谐振腔的衍射理论 g2/8~cn8z L`EBfz\n 3.1.1数学预备知识 Gm.]sE?. LRMx<X8 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 }XM(:|8J, NS6:yX,/ 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 qc~iQSI Clb@$, 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 r_;N t we?76t:- 3.2对称共焦腔内外的光场分布 =k:,qft2 ^B 2
-) 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 a"g!e^ _M5|Y@XN- 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 ^Uh BH@ti k/gZ , 3.3高斯光束的传播特性 3fJc
9| Z @@K[$ 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 x* &|0n.D A^EE32kbm 3.3.2高斯光束的相位分布 2Jmz( cH% FzXJ]H 3.3.3高斯光束的远场发散角 A4<Uu~ f_Av3 3.3.4高斯光束的高亮度 'xg
Lt ( p >t#@Eu| 3.4稳定球面腔的光束传播特性 Hi`//y*92H 6,9>g0y'NG 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 ^7KH _t8 X~,aNR y 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 r7,t";?> L RG6:& 3.5其他几种常用的激光光束 Yv!a88+A8M QM#4uI55B 3.5.1厄米-高斯光束 #PQB(=299P #@~+HC= 3.5.2拉盖尔-高斯光束 |:<f-j7t~ `eCo~(F y 3.5.3贝塞尔光束 7 uKY24 !pdb'*,n 3.6激光器的输出功率 Rn I&8 /j|G(vt5 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 o,8T Dg A_5P/ARmI 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 !XCm>]R zZ323pq 3.7激光器的线宽极限 vucxt }Ti :'l^kSP_*C 3.8激光光束质量的品质因子M2 * 8_wYYH Uu(SR/R} 3.9模式激光的某些一阶统计性质 9g"2^^wD
Qq;Foa
3.9.1单模激光的一阶统计性质 M`i\VG `Kr,>sEAM 3.9.2多模激光的一阶统计性质 ~`\?"s: MgrLSKLT 思考练习题3 d]6#m'U aV|hCN~ 第4章激光的基本技术 91 g2A| wlk4*4dKn 4.1激光器输出的选模 Y+*0~xm4 m?fy^>1
4.1.1激光单纵模的选取 v,{ yU\) &Ao+X=qw 4.1.2激光单横模的选取 kB|B /+;h)3PN6 4.2激光器的稳频 5r8< 7g:>C gSU cx9f] 4.2.1影响频率稳定的因素 Y
M\ K%rk K& 70{r 4.2.2稳频方法概述 ^ ALly2 A}N?/{y)G 4.2.3兰姆凹陷法稳频 Y>G@0r BG \$e)*9) 4.2.4饱和吸收法稳频 ]?
g@jRs z>Hgkp8D" 4.3激光束的变换 iIa'2+ \uC15s< 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 f@DYN!Z_m 8b -Q F
4.3.2高斯光束的聚焦 F,dx2ZPIs? sy"^?th}b 4.3.3高斯光束的准直 orfO^;qTY K3;nY}\> 4.3.4激光的扩束 7/f3Z 1 g D.Q=]jOs 4.4激光调制技术 RBm ;e0 W DPb!-VT 4.4.1激光调制的基本概念 L=8<B=QT$ O6/f5 4.4.2电光强度调制 >>o dZL 5b[jRj6 4.4.3电光相位调制 An"</;HU 9qz6]-K 4.5激光偏转技术 4K\(xd&Q %i-c0|,T4 4.5.1机械偏转 & <J [Q%2 m{uxI za 4.5.2电光偏转 @zz1hU 6qaQ[XTxf 4.5.3声光偏转 aL%AQ B, M|qteo 4.6激光调Q技术 6&l+0 dq CS -uNG6 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q "zRoU$X V <@ o<R 4.6.2调Q原理 ^[X YFQ TL mkF" 4.6.3电光调Q \":m!K;Z f[~L?B;_L 4.6.4声光调Q ,7NZu0 (egzH? 4.6.5染料调Q ^(h+URFpA u1P aHgi$ 4.7激光锁模技术 K7W6ZH9; okv 1K 4.7.1锁模原理 rJ{O(n]j aKuSd3E@# 4.7.2主动锁模 c 8>hc V q51Uf_\/ 4.7.3被动锁模 nwaxz>; )5U[o0td 思考练习题4 78OIUNm` AN SFdc 第5章典型激光器介绍 glXZZ=j .Pw\~X3! 5.1固体激光器 ),!;| bh 6 9NQ]{1 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 7{qy7,Gp .j>hI="b 5.1.2固体激光器的泵浦系统 a5!Fv54 eI:C{0p= 5.1.3固体激光器的输出特性 i?e`:} T qfz 8jY] 5.1.4新型固体激光器 .h5[Q/*h <_Q:'cx' 5.2气体激光器 A\#P*+k 0 ]U7KLUY>: 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 /3:q#2'v m J`A_0 5.2.2二氧化碳激光器 'hv k )}'U`'q 5.2.3Ar＋离子激光器 pd 8Nke
9*=W- v 5.3染料激光器 -s$F&\5by /<8N\ _wh 5.3.1染料激光器的激发机理 z7Eg5rm|QZ Bv. `R0e& 5.3.2染料激光器的泵浦 pBP.x#| D<X.\})Md 5.3.3染料激光器的调谐 Yx inE`u~ k`p74MWu 5.4半导体激光器 BC;: z)=+ F] 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 @L :>!< -c m$[,b6 5.4.2PN结和粒子数反转 u% n*gcY /?1nHBYPM 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 Gkxj?) ` m7GR[MR
5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 z .VyRB i0 4T <Lgb 5.5其他激光器 ?8mlZ
X9C 8Bq!4uq\5| 5.5.1准分子激光器 [j:[ BEgV^\u 5.5.2自由电子激光器 ^F"iP7 (%:>T Q( 5.5.3化学激光器 T,OwM\`.X{ 4r0b)Y &I 思考练习题5 :4T("a5aM $<|l E/_] 第6章激光在精密测量中的应用 j]m|7] 6 q 6FB 6.1激光干涉测长 3 Lsj}p {Pu\?Cq 6.1.1干涉测长的基本原理 .ol'.t , S r]Ff{la5 6.1.2激光干涉测长系统的组成 = }:)y 0L cFF*Z=L _ 6.1.3激光外差干涉测长技术 $VQtwuYt [
dE.[ 6.1.4激光干涉测长应用举例 VCcr3Dx()F ?}Lg)EFH 6.2激光衍射测量 GzTq5uU& }O4se" xK 6.2.1激光衍射测量原理 08m;{+|vY `K
>?ju" 6.2.2激光衍射测量的方法 AisN@ \rV
B5|D? 6.2.3激光衍射测量的应用 ,xT?mt}P |J~eLh[d 6.3激光测距 ^v@4 |E$ ?<yM7O,4 6.3.1激光脉冲测距 ez9k4IO a3 >zo N 6.3.2激光相位测距 sfVf@0g 9cv]y# 6.4激光准直及多自由度测量 M#@aB"@J> .\qj;20 W 6.4.1激光准直仪 9ElCg" V NtPKtx\ 6.4.2激光衍射准直仪 Sj(F3wY M}hrO-C 6.4.3激光多自由度测量 w_iam qe, B z`yfl2 6.5激光多普勒测速 fXQiNm[P RP`2)/sMT 6.5.1运动微粒散射光的频率 5b6s4ZyV 3?s ?X Ah 6.5.2差频法测速 l~Lb!; ,dN ib0g3p-Lc 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 T/P7 F\R Ab 1/.~^ 6.6环形激光测量角度和角加速度 @l UlY2 Q^Bt1C 6.6.1环形激光精密测角 :Ld!mRZF ,A5) <} 6.6.2光纤陀螺 <39!G7ny 1[;@AE2Y 6.7激光环境计量 oT|m1aGE p '{ xoV 6.8激光散射板干涉仪 2PSTGG8JV xqHL +W 思考练习题6 :'r6 TVDW ~mN% (w!^ 第7章激光加工技术 zG
c[Z3N HpexH{.u) 7.1激光热加工原理 fj'j NE u; TvS
| 7.2激光表面改性技术
+TRy :e &}`K^5K|O: 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 Cj;/Uhs
[ev- ^[ 7.2.2激光表面熔凝技术 XvS IWs S C_|A9 7.2.3激光熔覆技术 "L2 m-e6 *N /hc 7.3激光去除材料技术 qA/bg ? 4)v`* 7.3.1激光打孔 1ZKz umF q3'o|pp 7.3.2激光切割 |&hU=J
o f e
$Wu 7.4激光焊接 Eb.;^=x z4}
%TT@^ 7.4.1激光热导焊 Y&'8V dW Ws49ImCB 7.4.2激光深熔焊 DPJh5 d xKJ>gr"w# 7.4.3激光复合焊 mT_ GrIl[ iY.eJlfH 7.5激光快速成型技术 Ds5N Ap:x `% E9xcD% 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 Uk-HP\C"7 @%@zH% b 7.5.2激光快速成型技术 j.QHkI1. R.7#zhC`4 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 TV{)n'aA cj(X2L 7.6其他激光加工技术 ` X+j2TmS [{PqV):p 7.6.1激光清洗技术 !z=pP$81 O2H/rFx4 7.6.2激光弯曲 Y5jYmP< "oE* 9J?e 思考练习题7 p~bkf> i;lE5 第8章激光在医学中的应用 *:arva5 $au2%NL 8.1激光与生物体的相互作用 X N;/nU NdQ%:OKC 8.1.1生物体的 光学特性 /Antb6E / {G/|a 8.1.2激光对生物体的作用 4
10:%WGc dB`b9)Tk0z 8.1.3激光对生物体应用的优点 M j~${vj 8t9aHla 8.2激光在临床治疗中的应用 <"I?jgo 2x mT#m 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 UpeQ OC YZ[%uArm 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 0QR. ;? 8Iys# 8.2.3激光在眼科中的应用 Ve14rn l @A"U)A( 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 bhKV +oN +(AwSh ! 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 3LrsWAz' h>tsis'N9 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 q)Je.6$#X ^I./L)0= } 8.2.7光动力学治疗 |!5@xs*T eG^z*`** 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 0 Uaem 6 ">oo- 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 gX"T*d>y Q2 $/e+ 8.3.2激光断层摄影 <`mOU} 0 ) nh|EZp] 8.3.3激光显微镜 -4`sqv ] 2))t*9;h 8.4医用激光设备 'WzUu MCx u~)% tL 8.4.1医用激光 光源 y7;
5xF?q s7Qyfe&> 8.4.2医用激光传播用 光纤 Yl B["@\[B *cy.*@d 8.5激光应用于医学的未来 T`mEO\f f<=^ 4 a 8.5.1医用激光新技术 w}b<D#0XC eHROBxH& 8.5.2光动力学治疗的前景 Zr R+QV Q^ q=! /qQ 思考练习题8 {"\q(R0 &}|0CR.( 第9章激光在信息技术中的应用 <mn- =#) S
`wE$s o> 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 }9 FD/ EUXV/QV{ 9.1.1半导体激光器 e c`>KuY l ^BEFk ; 9.1.2光纤激光器 -|$* l
Q 2:n|x5\H 9.1.3光放大器 ;HT 0 w_, o[2Y;kP3*P 9.2激光全息三维显示 ],$6&Cm x:vrK#8D> 9.2.1全息术的历史回顾 (S 3jZ mf#fA2[ 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 }P16Xb) p ZG!x$ yi$ 9.2.3白光再现的全息三维显示 S USc tc5M$b3^2 9.2.4计算全息图 7:ckq(89 #[C<
J#; 9.2.5数字全息术 i:R!T, *;Ak5.du 9.2.6全息三维显示的优点 4'_L W?DS Za34/ro/T 9.2.7全息三维显示的应用 S q.9-h%5 Y]?Kqc 9.2.8全息三维显示技术的展望 O&F< oM E ]1\iV 9.3激光存储技术 THb A(SM [6 oq# # 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 y}Ck zD il=?o f\,i 9.3.2激光光盘存储 J,6!7a $/MY,:*e 9.3.3激光体全息光存储 rK*hT jVn 9#s,K! !3{ 9.3.4激光存储技术的新进展 gjO
*h3` <r@bNx@T 9.4激光扫描和激光打印机 u2f `|+1^y e1:u1(". 9.4.1激光扫描 !2/l9SUi sTJJE3TBI 9.4.2激光打印机 yl[2 et Y#GT*V 9.5量子光通信中的激光源 :17ee }3bQ>whF 9.5.1量子光通信 3`mC"a b / S6= \r{V 9.5.2量子态发生器及应用 @2QJm M|$H+e } : 思考练习题9 *G8'Fjin'T ftDVxKDE?S 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 Oz_b3 r i.B$?cr~ 10.1激光核聚变 hB?U5J :d, >d 10.1.1受控核聚变 l!xgtP K bWhJ^L D 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 +#&el// ke{DFq h 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 :-W$PIBe g{rt ^B 10.2激光冷却 d@_'P`% - => E44v 10.3激光操纵微粒 :YkDn~@ y}3
`~a 10.3.1光捕获 Pc d i BA`kxL/x 10.3.2微粒操纵 J@=!w[ v+ H620vlC}V 10.4超越经典衍射极限的分辨率 G7Edi;y/{ a,en8+r ] 10.4.1解析延拓 z:@d@\$? V>~*]N^f 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 G <} 7vF 3hp
tP 10.4.3傅里叶叠层算法 t!+%g) @ ?h>(&H jWV 10.4.4相干谱复用 ]~4}(\u A5(kOtgiT 10.4.5非相干结构光 照明成像 s.k`];wo Y9lbf _51 10.4.6超分辨荧光显微镜 N^@%qUvT] *X"F : 7 10.5激光光谱学 uC <|T
4AG&z ,[ 10.5.1拉曼光谱 5d!z<{` g[uE@Gaj& 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 :$) aME q )%-\hl] 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 :6HiP&< &**.naSo 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 $n_sGr am) J'i, 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 DVeF (Y3& btkMY<o 7 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 }J4BxBuV8 AmrJ_YP/t~ 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 8k*k J}93u(T5 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 no D 7G2o xq#]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 g]TI8&tP!L
t}* qs 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 )Uoe ~\ 9h)P8B. >M 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 ' ]H#0. |<5J 思考练习题10 eQ4B5B%j/x r.W"@ vc> 附录A随机变量 0[3tW[j 5,I*F9[3 A.1概率的定义和随机变量 Av[|.~g Qr xO
erp A.2分布函数和密度函数 Lu u-c<*M jDkc~Wwa A.3推广到两个或多个联合随机变量 >O[^\H!\ CH|g A.4统计平均 %%H. &* i, gP"Mu#/D 附录B随机过程 4<!}4 <=LsloI B.1随机过程的定义和描述 Yc ( )'6 |cBF-K NZ B.2平稳性和遍历性 q'U-{~ q% 62KW
HB9S 参考文献 \H'CFAuF FPM}:c4  ,4?| }xg 7dL=E"WL （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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