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。 .~db4d] qAr M|\l1  g9pZ\$J& y f)%%& 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 yF:1( 4 T~?Ff|qFC 1.1光的波粒二象性 S>+|OCl"; OKZV{Gja 1.1.1光波 umfD>" ^I D8Ic?:iX[ 1.1.2光子 eeg)N1\ R- wp9 ^ 1.2原子的能级和辐射跃迁 iU918!!N lBE= (A`
1.2.1原子能级和简并度 ^0 )g/`H^> SGRp3,1\4% 1.2.2原子状态的标记 ~NgA Ty\R=y}} 1.2.3玻尔兹曼分布 YaqR[F pad*oPH, 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 %Xg4b6<9 ssA`I<p # 1.3光的受激辐射 9=M$AB hFUlNJ 1.3.1黑体热辐射 !TH)
+zi +/7?HGf 1.3.2光和物质的作用 X0 5/uX{ c ]-<vkpV 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 mI vx1_[ 8nqG<!,q 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 c]<5zyl"j1 =J==i? 1.4光谱线增宽 Paq 4 j_[tu!~ 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 octL"t8w d Fc':| 1.4.2自然增宽 n6>#/eUH @{e}4s?7od 1.4.3碰撞增宽 tj S@meT aK~8B_5k8 1.4.4多普勒增宽 ]A `n (
"% @bLy,Xr& 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 }#+^{P3 ; r<EY]f^`u 1.4.6综合增宽 iVr J Q jd"@t*ZV 1.5激光形成的条件 <dNO d0 e Hio0H L- 1.5.1介质中光的受激辐射放大 Pm?KI<TH~ Q\vpqE! 9 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 B mb0cF Q Zl!kJ:0 思考练习题1 'oVx#w^m f A\DC W 第2章激光器的工作原理 V GN5<?PrN ]5cT cX;Z# 2.1光学谐振腔结构与稳定性 W*:.Gxv] Z\rwO>3 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 Vp\,CuQ I
34>X`[o 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 gVuFHHeUz MjRHA^b 2.1.3稳定图的应用 Y|qTyE% Rp7mh]kZ 2.2速率方程组与粒子数反转 Dy&i&5E.-l ]/6z;
~3U 2.2.1三能级系统和四能级系统 3=[mP, pLh {Xy5pfW
Q 2.2.2速率方程组 J)> c9w >Tx?%nQ 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 .Hm>i v1 JzP# 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 t?gic9
q r5/0u(\LB 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 s8Q 5ui] re <{
> 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 2,F .$X F(n$ 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 P+sW[: I{2hfKUe` 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 C )
s5 D n@i HFBb 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 -2[a2^a' Z i
i 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 & . j&0WE _[3D 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 uzPV To|= pv&sO~!iC 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 3 hH<T.@) BxmWIItz 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 q;CiV ]6` % 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 WH} y"W "S]TP$O D 2.5激光器的损耗与阈值条件 Llo"MO*sr F>l]
9!P|m 2.5.1激光器的损耗 R n[ cW5Y< tk`v:t!6 U 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 }0z)5c O/C rd/ 2.5.3阈值条件 m (!FHPvN j^JPZ{ej ? 2.5.4对介质能级选取的讨论 t*u:hex n\ 53w h@+ 思考练习题2
teF9Q+*~ KpGhQdR# 第3章激光器的输出特性 CCx&7f CTa 57R 3.1光学谐振腔的衍射理论 r19
pZAc b$jo Y*< 6 3.1.1数学预备知识 pnOAs&QAm da(<K} 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 ^ h6tr8yn T8g$uFo 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 @9s$4DS D,feF 9 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 0,")C5j QWYJ * 3.2对称共焦腔内外的光场分布 ~>|ziHx }}~ |!8 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 }7Q% 6&IR e7 o.xR 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 L,!?Nt\ L8B! u9% 3.3高斯光束的传播特性 0 (HU}I (<9u-HF# 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 fHFE){ y6a3t G 3.3.2高斯光束的相位分布 Zy/_
E@C}u ;Y, y 4{H3 3.3.3高斯光束的远场发散角 g 7H(PF? ktIFI`@ w) 3.3.4高斯光束的高亮度 z0 3K=aZ oEv 'dQ9 3.4稳定球面腔的光束传播特性 }K(TjZR mfr| :i 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 guR/\z$D@C GbI/4<)l} 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 N!}f}oF 2?Vd 5xkt 3.5其他几种常用的激光光束 $& c*' 3 ^2rN>k,? 3.5.1厄米-高斯光束
J&_n9$ PJ#,2=n~ 3.5.2拉盖尔-高斯光束 ,P0) 6> wCBplaojJ 3.5.3贝塞尔光束 |G<|F`Cj f o3}W^0 3.6激光器的输出功率 ~}
~4 P%n>Tg80M 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 $`8wJf9@w 8oGRLYU N 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 307I$*%W QT}tvm@PMq 3.7激光器的线宽极限 d'> x(Y i [-w%/D%@ 3.8激光光束质量的品质因子M2 V7/Rby Q h";L 3.9模式激光的某些一阶统计性质 c71y'hnT "[N!m1i:{ 3.9.1单模激光的一阶统计性质 {!`6zBsP x+]" 3.9.2多模激光的一阶统计性质 2~V*5~fb Fr-SvsNFB 思考练习题3 uY*L,j^) U<XG{<2 第4章激光的基本技术 zt%Mx>V@ zbiL P83 4.1激光器输出的选模 zQ PQ 1Y,Z
%d 4.1.1激光单纵模的选取 ,e smV- !,PWb3 S 4.1.2激光单横模的选取 ~Tt iO#,t {;oP L r+Z 4.2激光器的稳频 ;. C\Ss<>* &^nGtW%a 9 4.2.1影响频率稳定的因素 /wG2vE8e MQ2_`pi 4.2.2稳频方法概述 \M-OC5 fQv ="e+W@C 4.2.3兰姆凹陷法稳频 HaYo!.(Fv Q2> gU# 4.2.4饱和吸收法稳频 Wp,R ^d 6LhTBV 4.3激光束的变换 AQ Ojit6p }m8q}~>tL 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 -\MG}5?! ;{6~Bq9 4.3.2高斯光束的聚焦 *1 "+%Z^ Vvo 7C!$z 4.3.3高斯光束的准直 Dv6}b x( +C)~bb* 4.3.4激光的扩束 rl.}%Ny '"Nr, vQo 4.4激光调制技术 A}!J$V:w] v Q.R{!",> 4.4.1激光调制的基本概念 2<6 UwF E-FUlOG& 4.4.2电光强度调制 Gm`8q}<I (k P9hcV 4.4.3电光相位调制 HZOMlOZ + T+#q@ 4.5激光偏转技术 _0I@xQj- {RPI]DcO/ 4.5.1机械偏转 I+ (nu47ZT ^rz_f{c]- 4.5.2电光偏转 )%]J>&/0J n+p }\msH 4.5.3声光偏转 jWgX_//! Fzcwy V
4.6激光调Q技术 =MWHJ'3-/ so s5Y} 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q 8 CE = 4 `@%LzeGz 4.6.2调Q原理 |[lKY+26:{ k f9X$d6 4.6.3电光调Q y>LBl] Lj7AZ|k 4.6.4声光调Q I 6O 1Ws9WU 4.6.5染料调Q Mfk Z =l SNs 4.7激光锁模技术 ~G w*r\\+ #z42C?V 4.7.1锁模原理 a.Vuu)+Quw < Z$J<]I 4.7.2主动锁模 m+ 9#5a- X{VOAcugr 4.7.3被动锁模 .]Z"C&"N] k=^xVQuI 思考练习题4 (' ~ LMu_ `_h&glMJ,q 第5章典型激光器介绍 Hp?/a?\Xm $ Q0n 5.1固体激光器 =u;MCQ[ JS77M-A c 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 t,' <gI >sbu<|]a
7 5.1.2固体激光器的泵浦系统
8Y?;x} !'Kj x 5.1.3固体激光器的输出特性 >dT*rH 3w ce(#2o&` 5.1.4新型固体激光器 P;*(hY5& V.Mry`9- 5.2气体激光器 $xQL]FmS WhDJ7{D 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 {Ha57Wk8D \v/[6&|X0s 5.2.2二氧化碳激光器 xC?h2 hIt @PU [:; 5.2.3Ar＋离子激光器 r*Xuj= _*zt=zn> 5.3染料激光器 _4f;<FL hOeRd#AQK 5.3.1染料激光器的激发机理 nDW9NQ Debv4Gr;^ 5.3.2染料激光器的泵浦 E'8;10s 'PHl$f* k 5.3.3染料激光器的调谐 3a|\dav% r=4eP(w= 5.4半导体激光器 W8<%[-r _G0 x3 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 c`W,~[Q<O+ =Sv/IXX\di 5.4.2PN结和粒子数反转 1Z;iV<d olcDt&xv] 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 `x|?&Ytmf9 W%J\ qA 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 N ;gfbh] 5X+A"X
; C 5.5其他激光器 qb4z
T xkn;,`t^lJ 5.5.1准分子激光器 BuwY3F\-O DrQ`]]jj7 5.5.2自由电子激光器 #b`k e/P If.r5z9 5.5.3化学激光器 n| ;Im&, ~m |BC*) 思考练习题5 M`>E|" < % `3 jL7| 第6章激光在精密测量中的应用 "]dI1 g_ ]{iQ21`a- 6.1激光干涉测长 f<H2-(m HP =+<]?{G 6.1.1干涉测长的基本原理 MJvp6n & NWEqBz*2 6.1.2激光干涉测长系统的组成 nK,w]{<wG! PM+[, H 6.1.3激光外差干涉测长技术 &o*A { Uv.)?YeGh 6.1.4激光干涉测长应用举例 HDLk>_N_s, 1qch]1
^G 6.2激光衍射测量
grYe&(`X r,udO,Yi=c 6.2.1激光衍射测量原理 w@b)g yw!{MO 6.2.2激光衍射测量的方法 Fp:'M X E3i4=!Y 6.2.3激光衍射测量的应用 w &(ag$p ' P%6~&woF 6.3激光测距 ]A"h&`Cvt TO_e^A# 6.3.1激光脉冲测距 yZRzIb_ ?0SEMmp` H 6.3.2激光相位测距 R@0 R`Zs / mMV{[ 6.4激光准直及多自由度测量 K8~d^G y^k$Us 6.4.1激光准直仪 ~BF&rx5Q U17d>]ka 6.4.2激光衍射准直仪 TJN4k@\$2 > V937 6.4.3激光多自由度测量 %;/P&d / q<J~ ~' 6.5激光多普勒测速 y(&Ac[foS} >Q/Dk7 # 6.5.1运动微粒散射光的频率 XkqCZHYkS ;*N5Y}?j' 6.5.2差频法测速 :Al!1BJQ @,}U WU 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 u y+pP!< dve iQ 6.6环形激光测量角度和角加速度 Z G :{[sT *#2h/ Q. 6.6.1环形激光精密测角 @co
S+t FlQGg V N 6.6.2光纤陀螺 H.;Q+A,8^ \G BuW Y3B 6.7激光环境计量 ==B6qX8T 5s XXM 6.8激光散射板干涉仪 7nSxi+6e N o$3"4wk 思考练习题6 s*4dxnS_8 @d_M@\r=j 第7章激光加工技术 RNL9>7xV )_:NLo: 7.1激光热加工原理 6LZCgdS{ teP<!RKNb 7.2激光表面改性技术 NRuNKl.v 8(De^H lO 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 j CY %| z{543~Og59 7.2.2激光表面熔凝技术 Pfh mo $ <%^&2UMg 7.2.3激光熔覆技术 Smh,zCc>s rjP/l6
~' 7.3激光去除材料技术 F{w zB yu|>t4#GT 7.3.1激光打孔 JT?h1v<H] eE Kf|I 7.3.2激光切割 :3PH8TL 46x' I( 7.4激光焊接 AX INThJ cK@wsA^4 7.4.1激光热导焊 54,er$$V xk5 ]^yDp 7.4.2激光深熔焊 bD^o wa =w JX 0A| 7.4.3激光复合焊 F@t3!bj9 ,6/V" kqIP 7.5激光快速成型技术 f<_Cq <q" mq l
Z?- 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 R_KH"`q z} <^jgJ 7.5.2激光快速成型技术 x; S @bY :s,Z<^5a)g 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 W_=f'yb:E OI*H,Z " 7.6其他激光加工技术 hp 2t"t 3$tdwe$S 7.6.1激光清洗技术 v19-./H^
j 3Vwh|1? 7.6.2激光弯曲 (Z*!#}z` _!6jR5&r, 思考练习题7 J ,hCvm ' QG?nu 第8章激光在医学中的应用 M}a6 Vu9 {ax:RUQxy 8.1激光与生物体的相互作用 b}f~il Dv"9 qk 8.1.1生物体的 光学特性 ]d] ]'Hk > I?IPQB
8.1.2激光对生物体的作用 sB</ D S bOB \--:] 8.1.3激光对生物体应用的优点 _#niyW+?~ |>Vb9:q9Po 8.2激光在临床治疗中的应用 $ `c:& vd ZW%-A&\ 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 "g| #B4'e #R"*c
hLV 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 } 6 # zda 3
,U2o 8.2.3激光在眼科中的应用 3mgD(,(^ F847pyOJnf 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 @- xjfC\d %4H%?4 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 !Ee:o"jG{ x4 yR8n( 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 r"
y.KD^ L#J1b!D&<6 8.2.7光动力学治疗 >j/w@Fj ![1rzQvGDb 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 *T/']t vgPCQO([ 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 | (93gJ _U( 8.3.2激光断层摄影 l-Z4Mq6*L %Zi} MPx 8.3.3激光显微镜 +rd+0 `}C # ] QZ 8.4医用激光设备 fex@,I&
kj_c%T
]/ 8.4.1医用激光 光源 fu5=k:/c >Ry01G]_/h 8.4.2医用激光传播用 光纤 SU0
hma8 2ESo2 8.5激光应用于医学的未来 %v|B * GJrG~T 8.5.1医用激光新技术 aOp\ 91
h0$iOE 8.5.2光动力学治疗的前景 $i&zex{\ _b 0& !l<
思考练习题8 U6K|fY N` )e{ aN+ 第9章激光在信息技术中的应用 F%|h;+5 ) 8AXm 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 I,tud!p` w:0E(z 9.1.1半导体激光器 iTwm3V
P Y4 -t7UlS; 9.1.2光纤激光器 Y]>t[Lo% LoV<:|GTI 9.1.3光放大器 x:Y1P: wMn
i 9.2激光全息三维显示 R&&4y 7 *wearCPeJ 9.2.1全息术的历史回顾 TOt dUO V0@=^Bls 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 g dc<ZYcM 2G7 Wi!J 9.2.3白光再现的全息三维显示 aN?zmkPpov 'L'R9&o<X 9.2.4计算全息图 <I? Zk80 ]Z e1s02( 9.2.5数字全息术 o&%g8=n% $FV NCFN% 9.2.6全息三维显示的优点 I9Xuok!0>= **%37 9.2.7全息三维显示的应用 T)/eeZ$ -n
1 v3 9.2.8全息三维显示技术的展望 V
gWRW7Se @"A4$`Xi3 9.3激光存储技术 iS^QTuk3% C dn J&N{ 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 +7Gwg L *wYx| 9.3.2激光光盘存储 3og.y+.=U. [txE .7p 9.3.3激光体全息光存储 t.<i:#rj>l X ?O[r3< 9.3.4激光存储技术的新进展 .v
K-LHs /^ ts9: 9.4激光扫描和激光打印机 I7onX,U + ytImB`'\ 9.4.1激光扫描 Txu/{ M, $Sq:q0 9.4.2激光打印机 !$ JT e kiEa<-] 9.5量子光通信中的激光源 HMXE$ d=[ :WEDAFq0 9.5.1量子光通信 5pX6t _BufO7 `. 9.5.2量子态发生器及应用 t@(HF-4~= =_CzH(=f # 思考练习题9 Mx}gN:Wt VY-EmbkG-t 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 8 1F9uM0 \fOEqe*5SM 10.1激光核聚变 [^iN}Lz - "x$ZnHU 10.1.1受控核聚变 ZJoM?g~WFI :gv"M8AP 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 ). O)p9 ~N4m1s" 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 ~%oR[B7=| k$Vl fQ'+ 10.2激光冷却 =pNY
eR_[ kh<2BOV 10.3激光操纵微粒 C!gZN9- i8p6Xht 10.3.1光捕获 gXU8hTd8 +`4A$# $+y 10.3.2微粒操纵 sO Y:e/_F Iu{V ,U 10.4超越经典衍射极限的分辨率 9r9NxKuAO (7Q o 10.4.1解析延拓 DU^loB+ ceA9) { 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 SbZ6t$" u*R_\ *j@ 10.4.3傅里叶叠层算法 MV"=19] +ZYn? #IQ 10.4.4相干谱复用 ]e3Ax(i) "@kaHIf[ 10.4.5非相干结构光 照明成像 KvS G; HW|IILFB 10.4.6超分辨荧光显微镜 jPeYmv ] x-c"%Z| 10.5激光光谱学 :Ud F ICCc./l| 10.5.1拉曼光谱 ~&O%N rqq1T Rg 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 CTK;dM'uQ k)u[0} 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 sLFl!jX Ac6=(B 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 & kIFcd@ #$vEGY}1 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 P>L +t`' $>gFf}#C 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 z Dp 2g) J,G
lIv.A 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 |qLh5Ty z#N@ 0R 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 ^8tEach R]dg_Da 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 ex|F|0k4} ivPg9J1S 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 V)^+?B)T g`^ x@rj`E 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 l%ZhA=TKQ b -y 思考练习题10 Bq >m{ 67TwPvh 附录A随机变量 4 :=]<sc, Y7nvHU|+o A.1概率的定义和随机变量 ?upM>69{ hph4 `{T A.2分布函数和密度函数 \ jA~9 Bt#N4m[X*| A.3推广到两个或多个联合随机变量 ,[Fb[#Qqb S'14hk< A.4统计平均 "K lwA.7/ %S I'BJ 附录B随机过程 /=h` L , ^.G$Q# y, B.1随机过程的定义和描述 zL it F?cK- . B.2平稳性和遍历性 +#By* ;BJ -/k 3a*$/ 参考文献 F/Pep? ' N7_"H>O$0U  M;NX:mX9 r/sNrB1U"y （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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