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。 TBT*j&!L Xe+FMbBco 6u;(R 0n t +q`h3 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 HNT8~s.2 dF]8>jBOL 1.1光的波粒二象性 Rx-i.Et Z ~ ri w7" 1.1.1光波 mj|9x1 U) cLP @0`^H 1.1.2光子 #_\~Vrf(# @1Lc`;Wd 1.2原子的能级和辐射跃迁 p ivS8C LdUpVO8)l 1.2.1原子能级和简并度 XLxr~Yo ^SCWT\E 1.2.2原子状态的标记 RVx<2,[' rM |RGe 1.2.3玻尔兹曼分布 $c47cJO)W X\RTHlw'] 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 <2d@\"AoHE z(eAwmuli 1.3光的受激辐射 E1_4\ S*z 0MPDD%TP 1.3.1黑体热辐射 B35f 5m7r ;d40:q< 1.3.2光和物质的作用 &N ;6G`3 #9Z-Hd< 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 %L.+r!. bnQO}G 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 ,cEcMaJ )v0vdAh'b 1.4光谱线增宽 gs >cx]> ic#drpl, 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 q(W @=-uDK -Ma"V 1.4.2自然增宽 ] p lC -2_$zk* n 1.4.3碰撞增宽 5yI D% $ 1ZY
Vw 1.4.4多普勒增宽 bP@ _4Dy OpQa ! 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 FoQk vxx3^;4p 1.4.6综合增宽 =
xk @ Q7$ wBET.l'd 1.5激光形成的条件 y[rLk 9n'p 7(s% 1.5.1介质中光的受激辐射放大 +n dyR %54![-@ 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 `fyAV @X <~OyV5:6 思考练习题1 y ]_DW6W (Q+3aEUE 第2章激光器的工作原理 Y')+/<Q2E ,+&j/0U 2.1光学谐振腔结构与稳定性 D~:fn|/Brp rGWTp N 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 U|nk8 6r Jk*MxlA.b 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 R7 i*f/m T_WQzEL^ 2.1.3稳定图的应用 }Urt DXhA |.A>0-']M 2.2速率方程组与粒子数反转 Qp ,l> k E_oe1C: 2.2.1三能级系统和四能级系统 51 vK> W#!\.m`5 2.2.2速率方程组 :-)[B^0 !MC W t 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 q}jf&xUWzH c
z|IBsa* 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 "^H+A-R[ ~a $%
a 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 ;
F=_ozWV* $$@Tg kg?o 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 J*k4&l >@" j9 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 O 2U/zF:X (`xc3-, 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 SxDE3A-: yl}Hr* 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 N+\*:$>zt6 9M<? *8) 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 |j,Mof / @&Sqv4? 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 c nzPq\
-AX3Rnv^! 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 |Xag:hof ?P5D!b :( 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 X'c5s~9 ,>$#e1!J 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 9c 6=[3)V [>-k(D5D 2.5激光器的损耗与阈值条件 H2]I__t/u
51j 2.5.1激光器的损耗 +K?h] v]% F, sT[C 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 z+b~#f3 /dfZ>k8 2.5.3阈值条件 Y'-Lt5SCS L!5f* 2.5.4对介质能级选取的讨论 g _=Q=y@, lwU&jo*@ 思考练习题2 DB0xIP~i,? /Yh8r1^2tZ 第3章激光器的输出特性 Ur`v*LT}~ ;Gi w7a) 3.1光学谐振腔的衍射理论 ^{s)`j'I* ^Z*_@A _ v 3.1.1数学预备知识 B$bsh. v% 1# y5 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 ]HRZ9oP
; H 3kb
+ 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 '/j`j>'!^ :* 'i\ 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 C?O{l% 0
<ygO?m{ 3.2对称共焦腔内外的光场分布 mK4a5 H <ESAoY"RPN 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 >eC^]#c `d rv u?F 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 x!< C0N>?z "K8qmggTq 3.3高斯光束的传播特性 oqj3Q
1 alG}Aw#gS 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 Cxh9rUe. GB+G1w 3.3.2高斯光束的相位分布
pK3cg|} -X=f+4 j 3.3.3高斯光束的远场发散角 ~DJ/sY2/ l- X|3 , 3.3.4高斯光束的高亮度 u (BYRB r[gV`khka 3.4稳定球面腔的光束传播特性 {<GsM 8ZN J} 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 a%AU9?/q# iz'8P-]K> 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 >fjf]
6 b#P8Je`;9 3.5其他几种常用的激光光束 hE=cgO`QU j'7FTVmJ 3.5.1厄米-高斯光束 +`[$w<I ?LZ)r^ger 3.5.2拉盖尔-高斯光束 /
g&mDYV| !{4p+peqJV 3.5.3贝塞尔光束 H P7Ec vH?/YhH| 3.6激光器的输出功率 %|;^[^7+}t #&@&Bl Ie 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 qYpHH!!C= iw#luHcJ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 V{"5)Ly?fu aqMZ%~7 3.7激光器的线宽极限 6@T_1 R ~cc]kp0 3.8激光光束质量的品质因子M2 {_
# S4| )N,# 3.9模式激光的某些一阶统计性质 UL oTPx@N Tv (s?T6f 3.9.1单模激光的一阶统计性质 kh`X92~ %o?fE4o' 3.9.2多模激光的一阶统计性质 ^wX_@?aKtt o]]Q7S= 思考练习题3 N8KHNTb-M 0 xPML}|V 第4章激光的基本技术 .$q]<MK8 ztTpMj 4.1激光器输出的选模 I laH,J7n rp
_G.C 4.1.1激光单纵模的选取 \>\w-ty[( Pg`^EJ+ 4.1.2激光单横模的选取 7ed *dXY* #a/lt^}C* 4.2激光器的稳频 I&^?,Fyy< 1 ft. ZJ 4.2.1影响频率稳定的因素 %~6+=*(\ p>MX}^6 4.2.2稳频方法概述 UboOIx5: $H_4Y-xOi 4.2.3兰姆凹陷法稳频 @]cpPW-b Jcy`:C\Ay 4.2.4饱和吸收法稳频 =P5SFMPN {t9U]hX%A[ 4.3激光束的变换 %`` FIv15w C~l5D4D# 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 1pc|]9B jL 2f74?1 4.3.2高斯光束的聚焦 7}nOF{RH] KKOu":b
4.3.3高斯光束的准直 ~M <4 HC +wQ GC 4.3.4激光的扩束 u52@{@Ad iA%3cpIc(Z 4.4激光调制技术 ^6Xi o6W yLI=&7/e@ 4.4.1激光调制的基本概念 |ejrE,~1vb 0ai4%=d- 4.4.2电光强度调制 9%)'QDVGLf F`Pu$>8C 4.4.3电光相位调制 &*0!$ { B y{kXd1, 4.5激光偏转技术 H 9&? <j1n 6_9w1
,W E 4.5.1机械偏转 |=7%Edkd ( /uL6W d0 4.5.2电光偏转 Cu!4ha.e` ?l bX.+ 4.5.3声光偏转 #ReW#?P%b/ #?aR,@n 4.6激光调Q技术 Q>X ;7nt0 _msDf2e9 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q +[z(N .&* Tj}p 4.6.2调Q原理 2y,~i;;_ gs9f2t 4.6.3电光调Q q/]tJ{ FI m V^dIm 4.6.4声光调Q 6.ap ^9AD uZ
OUp8QQ 4.6.5染料调Q ]ImS@!Ajjx |rNm_L2 4.7激光锁模技术 OD*DHC2rN] 654PW9{ ( 4.7.1锁模原理 <0 1MXT- 6C)OO"Bc 4.7.2主动锁模 ECl[v%R/6 /w IZ ' 4.7.3被动锁模 ukri7 n* G-rN?R. 思考练习题4 )L_jR%2j ^B5Hjf9 第5章典型激光器介绍 x!G\-2# !hJ%{. 5.1固体激光器 k
9s3@S K)^.96{/@ 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 \QHM7C T 6g$+ ))g 5.1.2固体激光器的泵浦系统 Ot v{#bB$ =#1/<q)L 5.1.3固体激光器的输出特性 i++ F&r[ aIkxN& 5.1.4新型固体激光器 #
VR}6Jv ^QXUiX zl 5.2气体激光器 cbS8~Xmj D b(a;o 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 'zRd?Z>% F2+lwyc Y 5.2.2二氧化碳激光器 /@on=~ mQ 1QJ_; 5.2.3Ar＋离子激光器 # U!J2240 C10A$=! 5.3染料激光器 k9Yr&8B MLL2V `vBT 5.3.1染料激光器的激发机理 Rk`c'WP0* '\
6.GP 5.3.2染料激光器的泵浦 k
\]@ 3) :7mE( 5.3.3染料激光器的调谐 YMz[je KA.@q AEB 5.4半导体激光器 GVFD_;j' HaLEQ73 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 1=#`&f5f& !74* APPHR 5.4.2PN结和粒子数反转 ~*G I<n vUj7rDT| 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 K@ W~ $YL} rM 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 drF"kTD"7 JCE364$$" 5.5其他激光器 <:/V`b3a Ip?Ueaei 5.5.1准分子激光器 gNe{P~ $= H2|w
5.5.2自由电子激光器 Qg1LT8 mnG\UK,k 5.5.3化学激光器 `/Z8mFs Y vE{QN<6T 思考练习题5 T* LbZ"A ijC;" j/( 第6章激光在精密测量中的应用 |1rBK.8 /l @ 7MxE 6.1激光干涉测长 >e8 t #F[6$. Gr 6.1.1干涉测长的基本原理 :Im_=S[0 XBi@\i= 6.1.2激光干涉测长系统的组成 QZ
h|6&yI ZH.l^'(W 6.1.3激光外差干涉测长技术 &Gxk~p< m;8_A|$A 6.1.4激光干涉测长应用举例 C\E Z 8 {hVSVx8ZL 6.2激光衍射测量 W._vikR dqPJ 2j $\ 6.2.1激光衍射测量原理 u s$~6 Tf*X\{" 6.2.2激光衍射测量的方法 D [yaAG< F;`es%8 6.2.3激光衍射测量的应用 ^> ZQ:xs@( '[:].?M 6.3激光测距 [ Fj h : 9]23'Md 6.3.1激光脉冲测距 J:p nmZ`X z_r W1?| 6.3.2激光相位测距 67Ge}6*2pd Zb8i[1 P 6.4激光准直及多自由度测量 21G] d pLrNYo*d 6.4.1激光准直仪 V/J[~mN9 TY~0UU$ 6.4.2激光衍射准直仪 P?\rRB $Pl>T09d 6.4.3激光多自由度测量 Wf>UI)^n 7ug mZO}lL 6.5激光多普勒测速 1rTA0+h : cIE8<\% 6.5.1运动微粒散射光的频率 `F u|50_@V Koahd = 6.5.2差频法测速 5|Vb)QBv % eBtkTWx5[/ 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 .r[J} O" {I`B?6K5 6.6环形激光测量角度和角加速度 [,xFk* # T\. 8og 6.6.1环形激光精密测角 }MuXN<DDb i1 C]bUXA 6.6.2光纤陀螺 yu3EPT!~ A]Q4fD1q 6.7激光环境计量 +1F@vag7 HwM:bY
N 6.8激光散射板干涉仪 OjyS
?YY)b 29x
"E$e 思考练习题6 v>7t J[s ?jz{fU 第7章激光加工技术 ?AYI t[)z/[ m 7.1激光热加工原理 ]^ZC^ z;H z[ IG+2 7.2激光表面改性技术 /O/u5P{J ;,@3bu>r 7.2.1激光淬火技术的原理与应用
9CUMqaY2 5j,)}AYO 7.2.2激光表面熔凝技术 C'*1 w G@ed2T 7.2.3激光熔覆技术 r 3p fG {%b >/r 7.3激光去除材料技术 ,&z_ 2m si%f.A # 7.3.1激光打孔 2z ArAch %+xh 7.3.2激光切割 P^VV8Z >\& ax7u b 7.4激光焊接 9tk}_+ bZ )3{ 7.4.1激光热导焊 6Q> :g"_ .:l78>f 7.4.2激光深熔焊 <J[ *~v%( t~,!a? S7 7.4.3激光复合焊 Hagj^8 z4H!b+ 7.5激光快速成型技术 h`&mW w 9FH=Jp 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 G4=%<+ o6 Vc}jRH 7.5.2激光快速成型技术 %C' !L]# O_(J',++ 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 }^)M)8zS QqtFNG 7.6其他激光加工技术 Lr40rLx;u C0KP,JS& 7.6.1激光清洗技术 tdZ: w eEezd[ p 7.6.2激光弯曲 vA(3H/)- l&;#`\s!V 思考练习题7 RrKs!2sCT 7QQ1oPV 第8章激光在医学中的应用 > *vI:MG8 9QWS[E 4 8.1激光与生物体的相互作用 1UxRN7 -`f JhQ| 8.1.1生物体的 光学特性 dwB-WF%k ]*I&104{ 8.1.2激光对生物体的作用 }w"laZ* 5 F H#) 8.1.3激光对生物体应用的优点 wR>\5z )^ Gq+!%'][P 8.2激光在临床治疗中的应用 UAUo)VV i" (fY (- 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 'DRyOJn r .VTHZvyn 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 1 9;\:tN B>|@XfPM 8.2.3激光在眼科中的应用 |w:7).P `Z/"Dd;F^3 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 A3M)yW q 6ZCt xs! 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 wQ4/eQ* %J2u+K 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 !3?HpR/nV a;([L8^7$l 8.2.7光动力学治疗 /38^N|/Zr T9N /;3 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 spd>.Cm` YadyRUE 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 m|=/ |Hm ]7c 7 15@ 8.3.2激光断层摄影 ECU:3KH>MF +r4^oT[- 8.3.3激光显微镜 )6IO)P/Q~ NWv1g{M 8.4医用激光设备 LGRX@nF# ~H)b vN ^ 8.4.1医用激光 光源 M2vYOg`t:c Z`q?p E>R 8.4.2医用激光传播用 光纤 F4Z+)'oDr, CbI[K| 8.5激光应用于医学的未来 dM#\h*:= !XzRV?Ih; 8.5.1医用激光新技术 X;ijCZb3b F7cv`i?2." 8.5.2光动力学治疗的前景 g2w0#- AdR}{:ia 思考练习题8 lN{-}f;TN W@#)8];> 第9章激光在信息技术中的应用 R279=sO,J `?91Cw =` 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 ] 6M- s 1r|'n aiZ 9.1.1半导体激光器 m~#98ZJ^ w+*Jl}&\ 9.1.2光纤激光器 DHgEhf] q\[f$==p 9.1.3光放大器 v#nYH?+~mJ 6'+3""\ 9.2激光全息三维显示 9q;+ Al^Z JEs?Rm1^. 9.2.1全息术的历史回顾 NFU 5+X-c \ec,=7S<Zf 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 Th'6z#h:U YYZE-{ % 9.2.3白光再现的全息三维显示 Fl<BCJY ?psvhB{O 9.2.4计算全息图 (lTM^3
} $iupzVrro 9.2.5数字全息术 Abd&p N `=vL?w^QS 9.2.6全息三维显示的优点 SA)}---" F{ B __Kf 9.2.7全息三维显示的应用 ixE72bX Ql3hq.E 9.2.8全息三维显示技术的展望 b j ZcWYT j <Lj1 P3 9.3激光存储技术 x.xfMM2n (7;}F~?h 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 PIsMx -i0 : H0 +} = 9.3.2激光光盘存储 Jf YO|, T&fqn!i 9.3.3激光体全息光存储 t'
o:aI ZlUd^6|:3 9.3.4激光存储技术的新进展 ?8) _, I+kDx=T ! 9.4激光扫描和激光打印机 R<a7TkL4? E,>/6AU 9.4.1激光扫描 TmvI+AY/ \%K< S 9.4.2激光打印机 (6L[eWuTn ~?H _?}e 9.5量子光通信中的激光源 $*\[I{Zau} )lTkqz8v 9.5.1量子光通信 c7[|x%~ \|L ~#{a 9.5.2量子态发生器及应用 Y?{L:4cRX b$l@Z&[] 思考练习题9 >RG
}u >MauuL,.j 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 g0: mm,t\ ^dJ />?1 10.1激光核聚变 C1:efa<wV t5\~Z}G8 10.1.1受控核聚变 XkDjA#nx` mg;+Th & 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 %V %*0S|U [nZ3}o 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 T<=Ci?C
v F3HpDf y 10.2激光冷却 _?x*F?5= m}54yo 10.3激光操纵微粒 .J6Oiv.E n ,!PyJ 10.3.1光捕获 suC] mJ2>#j; 5f 10.3.2微粒操纵 Ghs{B8 sw ss#?.se 10.4超越经典衍射极限的分辨率 ,_,Z<X/ 0
XxU1w8\V 10.4.1解析延拓 { dM18; ae`*0wb v 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 3xj
?}o 9D#"Ey 10.4.3傅里叶叠层算法 s.d }*H-o v9QR,b` n 10.4.4相干谱复用 ~Gx"gK0 ..`J-k 10.4.5非相干结构光 照明成像 !B5 }`*1D 4E/Q+^? 10.4.6超分辨荧光显微镜 D[yOF J~p) T PEg>[ 10.5激光光谱学 =~}\g;K1Q Xxhzzm-B 10.5.1拉曼光谱 TUuw r%\(5H f 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 M S$^m2 Y3KKskhLx 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 ?:73O `sX: p_pI=_: 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 1AiqB Rs lO&TSPD^ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 n]c6nX:' <Yif-9 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 5i `q X%w` :c& 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 ye !}hm=w I<yd=#:n 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 rG)K? B~ nQm7 At 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 *M6'
GT1%c gx,BF#8} 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 nW#UB tZ [*^` rQ 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 H*s_A/$ `L n,qiA 思考练习题10 r1dP9MT\8 0$Rl78>( 附录A随机变量 CEbZj
z | V/xGk9L~ A.1概率的定义和随机变量 J=v"
HeVm Ldqn<wNnI A.2分布函数和密度函数 u By[x 0 r: Ij\Y Q A.3推广到两个或多个联合随机变量 O_-Lm4g?4 {6}H}_( ] A.4统计平均 P| c[EUT bn$a7\X- 附录B随机过程 ,c }R*\ #2AK O/ B.1随机过程的定义和描述 -!w({rP O.OPIQ=?:w B.2平稳性和遍历性 wNQhz.>y phk fPvL{ 参考文献 R)}ab{A }_,1i3Rip  4R<bf Z43 21k^M Z （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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