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。 L{o >D" NiJ?no KzFs#rhpn F6neG~Y 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 {KQ-Ce-6 &&QDEDszp 1.1光的波粒二象性 Af!
W
K= 2Y g[8Tm# 1.1.1光波 $4ZDT]n ]a Ma*fF 1.1.2光子 *z ;N ;w YwiSVd 1.2原子的能级和辐射跃迁 5GWM
)vrZg F" #3 s= 1.2.1原子能级和简并度 OHa{!SaL
;] `NR 1.2.2原子状态的标记 5IF~]5s %;\2QI `R 1.2.3玻尔兹曼分布 l.W 1$g %~v76;H< 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 gCBZA;/ /Z9`u K 1.3光的受激辐射 fN? Lz%z3 0T{Y_IG 1.3.1黑体热辐射 Zv7 $epDUz 6;=wuoJi 1.3.2光和物质的作用 ^ {]sD}Q" ~6kA<(x 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 Zo63 8*32 h/y} 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 BrH`:Dw `? S?)0B 1.4光谱线增宽 JMe[
.S x A,CPR0g% 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 ,9j:h)ks? EA{*%9 A 1.4.2自然增宽 z(#hL-{c D@vvy6>~s 1.4.3碰撞增宽 W;@ae,^ j!8+|eA kk 1.4.4多普勒增宽 s$y#Ufz 2 n+XML 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 k ^%ec3l TXOW /{B 1.4.6综合增宽 1R~WY'Ed 3*23+}^G 1.5激光形成的条件 _w,0wn9N$ \rnG 1o 1.5.1介质中光的受激辐射放大 50hh0! 1 />I8nS}T 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 YbBH6R Zr %_=R&m'n` 思考练习题1 CH+& 7wEG<,D 第2章激光器的工作原理 V4i%|vV {E HG | 2.1光学谐振腔结构与稳定性 zMqEMx9 h}< ZZ 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 :mHtK)z~ hBSJ EP 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 &B,& *Lp = sVt8FWGY 2.1.3稳定图的应用 <%JO 3E ,%G2>PBt 2.2速率方程组与粒子数反转 |(ju!& [jn;|
3 2.2.1三能级系统和四能级系统 '
1]bjW*! ;+KgujfU 2.2.2速率方程组 q _|5,_a ?
Z
fhz 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 * CGdfdxW 4'b]2Mn3 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 u9~J1s<e c^gIK1f- 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 JJ3JULL2 tBUQf*B 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应
x`l;
; 8mdd I 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 cyeDZ) r:rJv 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 ,T[
+omo !T(Omve) 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 <5vB{)Tq ]7
mSM 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 7f,W zv V Hxi=\2- 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 <s3( DA@hf 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 jn Y3G ^{bEq\5& 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 ^}\R]})w" K 8c #/o 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 ^i1 :PlW] bj{f[nZ d 2.5激光器的损耗与阈值条件 $ zi\ /Yw +Z]%@"S? 2.5.1激光器的损耗 Xe+FMbBco 2` qXD fD` 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 =@ ?M(Wx 2.5.3阈值条件 HNT8~s.2 dF]8>jBOL 2.5.4对介质能级选取的讨论 Rx-i.Et Z ~ ri w7" 思考练习题2 mj|9x1 U) M3 `A&*\; 第3章激光器的输出特性 P9 wDTZ
:4 :!h H`l}p 3.1光学谐振腔的衍射理论 p ivS8C LdUpVO8)l 3.1.1数学预备知识 XLxr~Yo 7?] p\` 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 ~C
x2Q4E qN L~m' 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 !,"G/}'^; 5 Vqvb| 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 s$6# 3%h _,~zy9{, 3.2对称共焦腔内外的光场分布 bf(&N-"A HArYL} l 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 RVnYe=' (B#|3o 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 T,> e\ sAlgp2- 3.3高斯光束的传播特性 RoRVu,1 TD7ON a-, 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 &r%3)Z8Et DBDfB b 3.3.2高斯光束的相位分布 T7'$A!c ^ + <uHd> 3.3.3高斯光束的远场发散角 D IN
PAyY s'I$yJ)@2E 3.3.4高斯光束的高亮度 ] p lC -2_$zk* n 3.4稳定球面腔的光束传播特性 5yI D% $ 1ZY
Vw 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 bP@ _4Dy OpQa ! 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 FoQk vxx3^;4p 3.5其他几种常用的激光光束 =
xk @ Q7$ wBET.l'd 3.5.1厄米-高斯光束 y[rLk _T$\$v$ { 3.5.2拉盖尔-高斯光束 k~ ue^^r} %Z4=3?5B"9 3.5.3贝塞尔光束 < r~Tj
U_No/$ b 3.6激光器的输出功率 ?da 3Azp $Vzfhj-if 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 u@B"*V~K 7F4]EA ^ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 =qR VKz W% ud nJ 3.7激光器的线宽极限 SH.'E Hd 2} t wt 3.8激光光束质量的品质因子M2 A-FwNo2"% U sTPNQj 3.9模式激光的某些一阶统计性质 [6 |vx},N "6i9 f$N 3.9.1单模激光的一阶统计性质 TfPx %`'VXR?`h= 3.9.2多模激光的一阶统计性质 &bRH(yF %}[??R0 思考练习题3 l ;uEw 5z _) 第4章激光的基本技术 F@BNSs N= @!$NUY8,A# 4.1激光器输出的选模 x-<dJ}` ~a $%
a 4.1.1激光单纵模的选取 BlUY9`VWh@ k$UBZ,=iC 4.1.2激光单横模的选取 KB5{ l%> _*9Zp1r 4.2激光器的稳频 e9d~Xi16KY ,#G@ri:B 4.2.1影响频率稳定的因素 7}Sw(g)o7 4]bT O 4.2.2稳频方法概述 E !8y|_(j IjNm/${$ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 AZa3!e/1 C N"c 4.2.4饱和吸收法稳频 > BX_Bou m"*: XfOL 4.3激光束的变换 Ij+zR>P8=\ pqe**`z@y 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 pGIeW}2'9 fh~&&f }6 4.3.2高斯光束的聚焦 HIF] c !cZsIcI e 4.3.3高斯光束的准直 AOe~VW {x8`gP\H 4.3.4激光的扩束 +K?h] v]% F, sT[C 4.4激光调制技术 z+b~#f3 /dfZ>k8 4.4.1激光调制的基本概念 Y'-Lt5SCS L!5f* 4.4.2电光强度调制 g _=Q=y@, lwU&jo*@ 4.4.3电光相位调制 V/Q6v
YX 073(xAkL { 4.5激光偏转技术 ^t ah4QmUA 3
*G=U 4.5.1机械偏转 -K
j CPc Pc3u`Q L? 4.5.2电光偏转 *=v
RX!sI, M(|gfsD 4.5.3声光偏转 7-5q\[ZK
; H 3kb
+ 4.6激光调Q技术 '/j`j>'!^ :* 'i\ 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q C?O{l% 0
<ygO?m{ 4.6.2调Q原理 mK4a5 H <ESAoY"RPN 4.6.3电光调Q >eC^]#c `d rv u?F 4.6.4声光调Q !
>:O3*/ zm e:U![ 4.6.5染料调Q Dihk8qJ/6 $ *PyzLS 4.7激光锁模技术 g FKQm(0g2 gQ?k }D 4.7.1锁模原理 D,hl+P{^K O^f@ g l 4.7.2主动锁模 WV8<gx`Q r=9*2X# 4.7.3被动锁模 4_mh &EQov9P7 思考练习题4 {[$p}#7Y +b{\ v1b 第5章典型激光器介绍
R+m{nO~r }$7Hf+G 5.1固体激光器 ]8mBFr5E9 F :u} 7t> 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 :>,d$f^tqE xpV8_G z; 5.1.2固体激光器的泵浦系统 +|}~6` ?LZ)r^ger 5.1.3固体激光器的输出特性 X)yTx8v4 34oC285yc 5.1.4新型固体激光器 Rn}+l[] jC 7DI8r| ~ 5.2气体激光器 =Xp 3UNXg s 8tI_h 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 7.5G4 "evLI? 5.2.2二氧化碳激光器 H&GM q5)B hP 7nt 5.2.3Ar＋离子激光器 B^6P 6, vOqYt42
5.3染料激光器 p* ^O 8o l/TH"z( 5.3.1染料激光器的激发机理 S`J_}> "aP/214Ul 5.3.2染料激光器的泵浦 k<:!^_3H 5Zq- |"| 5.3.3染料激光器的调谐 AL KhZFuz r}vr E
^Q 5.4半导体激光器 lF B Ka
,6 wo*/{KFvh 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 Db2G)63 `dj/Uk 5.4.2PN结和粒子数反转 xOkf 9k_ xUG|@xIwc 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 X=DJOepH' onjTuZ ^h 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 EqOB
0\ =B; )h 5.5其他激光器 ~:JK Xa? 5B(|!Xq;I 5.5.1准分子激光器 "e_ED* ftK.jj1: 5.5.2自由电子激光器 mX<D]Z< k *EotYT 5.5.3化学激光器 9 /9 ,[ A V,>#!zUv 思考练习题5 !x,3k\M #|'8 O 第6章激光在精密测量中的应用 4 ba 1c <H$ CCo 6.1激光干涉测长 $CXqkK<6 {xOu*8J 6.1.1干涉测长的基本原理 OnG!5b Wve ^2lkoK 6.1.2激光干涉测长系统的组成 #M_QSD}& oikl Rf 6.1.3激光外差干涉测长技术 ^tpy8TQ %';n9M 6.1.4激光干涉测长应用举例 uH]^/'8vBd t[#`%$% ' 6.2激光衍射测量 {8t;nsdm! ?Ww ',e 6.2.1激光衍射测量原理 )hn,rmn
(P >(\[ $ 6.2.2激光衍射测量的方法 X-t4irZ) [TNYPA> { 6.2.3激光衍射测量的应用 O *jNeYA L:' Y#VI{ 6.3激光测距 Aj ZT- Q0L ^%\p; yhL 6.3.1激光脉冲测距 8y+Gvk: ~L?p/3m 6.3.2激光相位测距 L*FnFRhU (L~3nN;r r 6.4激光准直及多自由度测量 \Ud2]^D= y_J{+ 6.4.1激光准直仪 Jq.26I= ;&[0 h) 6.4.2激光衍射准直仪 2y,~i;;_ IMV oNKW- 6.4.3激光多自由度测量 q/]tJ{ FI [J:vSt 6.5激光多普勒测速 6.ap ^9AD uZ
OUp8QQ 6.5.1运动微粒散射光的频率 ]ImS@!Ajjx FmnA+f A 6.5.2差频法测速 OxqP:kM |z5olu$gVc 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 -'Z P_$sA 6C)OO"Bc 6.6环形激光测量角度和角加速度 ECl[v%R/6 {\ .2h 6.6.1环形激光精密测角 fV[xv4D. _&yQW&vH# 6.6.2光纤陀螺 M?]ObIM:5
f0:) 6.7激光环境计量 O 89BN6p G|H\(3hHLZ 6.8激光散射板干涉仪 m.lNKIknQ .}j @(D 思考练习题6 .p0;y3so4 />]/ At 第7章激光加工技术 mD|<qsY) v^KJU
+ 7.1激光热加工原理 js2?t~E] W/J3sAYv 7.2激光表面改性技术 $|A vT;4 $BNn 1C8[ 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 )Q9 J, E4 JS
7.2.2激光表面熔凝技术 .t\ Yv/|` a)} ?rzT] 7.2.3激光熔覆技术 *6k
(xL h~<#1'/ < 7.3激光去除材料技术 }<S|_F s;$
eq); 7.3.1激光打孔 BhNwC[G?m W;j*lII 7.3.2激光切割 %f?#) 01> sp AYb< 7.4激光焊接 |" l
g4S% $k}+,tHtJO 7.4.1激光热导焊 R(x% <I r\L:JTZ$ 7.4.2激光深熔焊 &
yw-y4 = EMJ}tvL0Tp 7.4.3激光复合焊 UlQ }
t jYe82 7.5激光快速成型技术 E6BW&Xp o'R_kadN[T 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ?jb7Oq#[ yUBic~S 7.5.2激光快速成型技术 a'Aru^e l yp!Xwq#n 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 NW^}u ~-f _3ZZ-=J:=* 7.6其他激光加工技术 o$ 2f ML l *pCG`@J# 7.6.1激光清洗技术 2R.YHj Z;lE-`Z*(F 7.6.2激光弯曲 ISOPKZ#F *FOTq'%i 思考练习题7 jj.)$|&#` {9 Y@? 第8章激光在医学中的应用 vUJb- :90 DS_4 8.1激光与生物体的相互作用 e@@kTn y( ~ H?RHYP~ 8.1.1生物体的 光学特性 :Im_=S[0 XBi@\i= 8.1.2激光对生物体的作用 QZ
h|6&yI ZH.l^'(W 8.1.3激光对生物体应用的优点 &Gxk~p< m;8_A|$A 8.2激光在临床治疗中的应用 %!LrC!6P4 }
%rF}>$A 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 lD\lFN(: ])0&el3- 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 @$Z5A g! Hk$|.TjzI 8.2.3激光在眼科中的应用 P0UMMn\-#
k|a{ |2p 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 Sd}fse 3^ wJ4=^ 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 hg=\L5R Y`\zLX"_m 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 aU 5t|S6 q0SvZw]f1 8.2.7光动力学治疗 rcNM,!dZ Zb8i[1 P 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 (w@|:0t^y[ M[HPHNsA& 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 ?=f\oH$ \- `L}$ 8.3.2激光断层摄影 QMHeU> 9sJbz=o]r 8.3.3激光显微镜 7{/q QGL 7ug mZO}lL 8.4医用激光设备 ) ` ' : cIE8<\% 8.4.1医用激光 光源 fM
\T^X nvgo6 * 8.4.2医用激光传播用 光纤 Q y$8!( }+ I
8l' 8.5激光应用于医学的未来 Pbd#Fu ; ] Cbht\Ag" 8.5.1医用激光新技术 X[grV e rTW1'@E 8.5.2光动力学治疗的前景 /vSFQ}W K.*zqQKlI| 思考练习题8 Xgr|~(^ Lp1wA* 第9章激光在信息技术中的应用 u&r @@p. !>g c!8Y'o 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 oa1 &9 (f
$Y0;v>} 9.1.1半导体激光器 |0A n| 18 oKzV!~{0M; 9.1.2光纤激光器 UyTq(7uo 7s>d/F3* 9.1.3光放大器 $aG]V-M> \MK)dj5uUJ 9.2激光全息三维显示 =@w};e#D _ 4Hf?m7z 9.2.1全息术的历史回顾 N~Ax78T X ]wdudvS@6r 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 plb 'EP>e z&cfFx#h) 9.2.3白光再现的全息三维显示 75I* &Wl D;d 'ss; 9.2.4计算全息图 tAbIT; > [sACPn$f 9.2.5数字全息术 ~'v^__8 @b-?KH 9.2.6全息三维显示的优点 S#2 'Jw klv^310 9.2.7全息三维显示的应用 !OC?3W:^_ DCP " 9.2.8全息三维显示技术的展望 tH17 Z q'",70"\ 9.3激光存储技术 8Bo'0
r$G;^ 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 @fbvu_-]. nb(#;3DQ 9.3.2激光光盘存储 x\I9J4Q q\d'}:kfu 9.3.3激光体全息光存储 oV,>u5:B pd>EUdbrp& 9.3.4激光存储技术的新进展 h#;fBQ]
n3~xiQ' 9.4激光扫描和激光打印机 ~A>3k2 N/e ~wh8)rm 9.4.1激光扫描 ~cU,3g Gd:fWz( 9.4.2激光打印机 *kZJ [4PG_k[uTJ 9.5量子光通信中的激光源 k<8: #H M0s~^w& 9.5.1量子光通信 9~Q .[ A tUz!]P2BUO 9.5.2量子态发生器及应用 wjKW 3 S WYiI 思考练习题9 [e G- &u jO !!. w 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 8%vk"h:u: PNg, bcl 10.1激光核聚变 }w"laZ* 5 F H#) 10.1.1受控核聚变 wR>\5z )^ Gq+!%'][P 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 UAUo)VV i" Ler9~}\D 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 0^:O:X zF\k*B 10.2激光冷却 Z</$~
T _g$6vx& 10.3激光操纵微粒 o )Ob }j 6dq5f?w] 10.3.1光捕获 AR/`]"' 7 t it>dJ 10.3.2微粒操纵 UO>p-M A GPZd9 10.4超越经典衍射极限的分辨率 Y7!,s-v4W *<s|WLMG 10.4.1解析延拓 Y
1LE.{
l(%bdy 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 pbloL3d.;+ PlTY^N6 Hn 10.4.3傅里叶叠层算法 ]e)<CE2
A!goR-J] 10.4.4相干谱复用 y*|"!FK Y/)> \ 10.4.5非相干结构光 照明成像 )[G5qTO mhT3 Fwc 10.4.6超分辨荧光显微镜 ~H)b vN ^ AqE . TK 10.5激光光谱学 6S<J'9sE F4Z+)'oDr, 10.5.1拉曼光谱 CbI[K| dM#\h*:= 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 !XzRV?Ih; X;ijCZb3b 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 F7cv`i?2." g2w0#- 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 AdR}{:ia lN{-}f;TN 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 C+*: lLY DoN bCVZ 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 <|s| 6C & *[ T 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 ^5j9WV fZT=q^26 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 Pou`PNvH T+N%KRl 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 BWfsk/le j }(20MW8rMc 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 y`7BR?l (A/V( .! 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 /&cb`^"U^ O N]
z- 思考练习题10 MXSPD# gN 5Y _)%u
附录A随机变量 gtVI>D'(W qL
UbRp A.1概率的定义和随机变量 0bS\V UB( UR:cBr A.2分布函数和密度函数 7`| $uIM` oG3>lqBwD2 A.3推广到两个或多个联合随机变量 UIovv%7zZ .)ZK42Qd A.4统计平均 $IUT5Gia` .E"hsGH9h 附录B随机过程 %Nzg~ZPbmT b P4R B.1随机过程的定义和描述 aXhgzI5] j#Bea , B.2平稳性和遍历性 _Cj u C`7 V)f/umT%g 参考文献 j%#n}H L6J=m#Ld  ~4`LOROC
u -f_,],p （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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