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。 zsuqRM
" `Hw][qy# "$N$:B @U F ;_c x 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 a( ~X 8GBKFNR 8 1.1光的波粒二象性 KC"S0 6 ^P{y^@XI 1.1.1光波 (1cB Tf E- 1u_ 7 1.1.2光子 RL&0?OT }bRn&)e 1.2原子的能级和辐射跃迁 K bQXH!J z
8M\(< 1.2.1原子能级和简并度 [f:&aS+ 7(D)U)9h 1.2.2原子状态的标记 /*;a6S8q [ PN2^ 1.2.3玻尔兹曼分布 X>
98 ` +UWv }| 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 +wz1kPRs Cgln @Rz 1.3光的受激辐射 :ek^M ( -uN{28;@ 1.3.1黑体热辐射 }Tk:?U { sCJ|U6Q- 1.3.2光和物质的作用 X9PbU 1 o; 1?w=v|b:P) 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 #*rJI3 Ae=JG8Ht~ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 :@5{*o W\-`}{B_/ 1.4光谱线增宽 ][ "%e9#aX s#<fj#S 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 @H $8;CRM f6J]=9jU 1.4.2自然增宽 rRe^7xGe7 ?f9 M59(l 1.4.3碰撞增宽 Q_p&~ PNy5 q.R(>ZcV 1.4.4多普勒增宽 #|8%h vn*K\, 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 DZm Vm['l I*j~5fsS' 1.4.6综合增宽 ~-NSIV:f NR G06M 1.5激光形成的条件 g?|Z/eVJ SFh<>J^ 0a 1.5.1介质中光的受激辐射放大 mW {uChHP @"h4S*U 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 O13]H"O_ O Lt0Q.{ 思考练习题1 5nBJ j t$,G%micj 第2章激光器的工作原理 U/ PNEGuQ fe<7D\Sp@ 2.1光学谐振腔结构与稳定性 !"<rlB,J /Z]nV2$n)V 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 L_9uwua.B~ W4av?H 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 \IC^z HCrQ+r{g 2.1.3稳定图的应用 .|u`s,\
BUwL? 2.2速率方程组与粒子数反转 doTbol?+ $ ?!]?{K 2.2.1三能级系统和四能级系统 \>*.+?97 2gklGDJD 2.2.2速率方程组 F{QOu0$cA4 I74Rw*fB 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 5m'AT]5Tn_ KF(y`(8f 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 ,]yS BAO 8EkzSe 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 :sK4mR F I6;6x 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 r aOuD3 {hOS0).(w7 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 )N~ p4kp
e(0 cz6 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 $Bnc df :qqG%RB 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 k7@QFw4 j CV^%'HIs?+ 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 oV['%Z' 0+qC_ISns 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 H-&27?s^ oB!Y)f6H1 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 0U/[hG"DKN &qP ezyt 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 un!v1g9O | S).,B 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 2V% z= T#!% Uzz 2.5激光器的损耗与阈值条件 l =T; hk [G|(E 2.5.1激光器的损耗 e(^I.`9z i)(G0/: 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 Y)lr+~84f WvF{`N 2.5.3阈值条件 zRLJ| ejMP 2`;XcY4A 2.5.4对介质能级选取的讨论 8 Uh|V& 5tkKd4VfL 思考练习题2 <X{w^
cT_Q a%HN z_ro 第3章激光器的输出特性 [ /*;}NUv .H M3s 3.1光学谐振腔的衍射理论 @}R y7H0O W3Ee3 3.1.1数学预备知识 P}a$#a'! MUZ]*n&0 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 kq(><T =AzkE] 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 \$4z@`n Y Hci >q`p# 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 [S ]q'c) OW=3t#"7Kp 3.2对称共焦腔内外的光场分布 XW8@c2jN\7 ";&PtLe 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 mT@Gf >}/A D}}?{pe 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 Z-ci[Zv =,ax"C?pR 3.3高斯光束的传播特性 `Nvhp]E 8Vn 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 p`7d 9MV^ D5Sbs( 3.3.2高斯光束的相位分布 zb[kRo&a0W A0A|c J P 3.3.3高斯光束的远场发散角 !<j4*av:G oF+yh!~mM 3.3.4高斯光束的高亮度 _(gkYJ+MK 6A5.n?B{ 3.4稳定球面腔的光束传播特性 ZHeue_~x4 paN=I=:*M 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 Hr}"g@ < h7K,q S 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 7z, $ *]<= 04v]R 3.5其他几种常用的激光光束 tFn[U#' Kc^ctAk7; 3.5.1厄米-高斯光束 ,-EN{ed BH^*K/ ^ 3.5.2拉盖尔-高斯光束 v_%6Ly RaTNA W)v> 3.5.3贝塞尔光束 \pK&gdw 4%qmwt*p 3.6激光器的输出功率 3HP
{
a af6<w.i 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 6 mLC{X[ mP15PZ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 # Dgkl B[8 RBTsA 3.7激光器的线宽极限 G='`*_$ 1z2v[S&pk 3.8激光光束质量的品质因子M2 V#b*:E.cA >#mKM%T2MJ 3.9模式激光的某些一阶统计性质 T$r/XAs xZ2 1i QeN 3.9.1单模激光的一阶统计性质 N@k'
s AZNo%!)o 3.9.2多模激光的一阶统计性质 hr '?# K t W 思考练习题3 "3Dnp?gB #LR6w Ek 第4章激光的基本技术 KdHkX+-R hTby:$aCg 4.1激光器输出的选模 BBX/ &d8n ny^uNIRPR 4.1.1激光单纵模的选取 j&A9
&+w G^|b*n!! 4.1.2激光单横模的选取 ~PF,[$?4n l1 08.ao 4.2激光器的稳频 $`0^E#Nl ~/SLGyu 4.2.1影响频率稳定的因素 ^HP$r* "k [$euV 4.2.2稳频方法概述 g_tEUaiK g0/ R\ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 3~ WI3ZIR \KpJIHkBRy 4.2.4饱和吸收法稳频 4TU\SP8sM ;Cx`RF
w 4.3激光束的变换 R "t2=3K qB $QC 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 &V &beq4)p h= YTgJ 4.3.2高斯光束的聚焦 '{JMWNY BUh(pS: 4.3.3高斯光束的准直 @ {<^rLt qIzv|Nte 4.3.4激光的扩束 cqZ lpm$c =-P< v2|e 4.4激光调制技术 v,rKuvc' +W[{UC4b 4.4.1激光调制的基本概念
8 rU| Oh ,FRa6; 4.4.2电光强度调制 e *D,2>o UAI'tRY N_ 4.4.3电光相位调制 )&)tX. Ix= (f0| 4.5激光偏转技术 4|eI_u{_ ),
V F] 4.5.1机械偏转 "x_G6JE4tv 11fV|b% 4.5.2电光偏转 pF~aR]Q &;vMJ 4.5.3声光偏转 YO@~y *, '2 <N_)43$ 4.6激光调Q技术 sFgsEKs sC :.}6 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q $9Xn.,W h2+"e# _ 4.6.2调Q原理 %|2x7@&s rXGa av9 4.6.3电光调Q FB~IO#E8W +f^|Yi 4.6.4声光调Q kk
CoOTe& F A%BzU5^ 4.6.5染料调Q RM25] hx te>Op 1R 4.7激光锁模技术 u~N'U D1x _ *t75e$- 4.7.1锁模原理 8)f/H &)>8 m{yq.H[X 4.7.2主动锁模 S*ie$}ZX ub4(g~E 4.7.3被动锁模 K1- 3!G V-dub{K 思考练习题4 ZtI@$ An ^NxKA'oWQ 第5章典型激光器介绍 7zNfq.Ni~ u$"Ew^C 5.1固体激光器 A;;OGJ,!\ ZZeF1y[q 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 `7 Nk; a{}8030S 5.1.2固体激光器的泵浦系统 HI lTt $cO-+Mr-~ 5.1.3固体激光器的输出特性 . TPi{c_
] 5.1.4新型固体激光器
[hiV # H ;HFen| 5.2气体激光器 <+<,$jGC- #<w2 xR]: 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 Gkdxw uRw }A<fCm7 5.2.2二氧化碳激光器 @ `SlOKz!= $ h1p L>^J 5.2.3Ar＋离子激光器 ~ #P` 7G &:=[\Ws R 5.3染料激光器 )EsFy6K: PW* [( VX 5.3.1染料激光器的激发机理 mGUG %cq8% RT 5.3.2染料激光器的泵浦 1(a+ | kl5Y{![/&f 5.3.3染料激光器的调谐 ((fFe8Rn)q `{nzw $ 5.4半导体激光器 *,XT;h$'> +Jq~39 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 U]i Z3^8VT Gwfi 5.4.2PN结和粒子数反转 <TEDs4
C 3hR3)(+1 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 3TT?GgQ ]Mgxv>zRbs 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 ].x`Fq3 !4+@b
s 5.5其他激光器 n_t.l< V xcXnd"YYE 5.5.1准分子激光器 k= .pcDX N6/; p]| 5.5.2自由电子激光器 fSm|anuKZe f_r4*#&v 5.5.3化学激光器 X}]g;|~SN g;</ |Z 思考练习题5 ~" U^N:I" ' "o2;J)7 第6章激光在精密测量中的应用 iaQ3mk# >m` <AynJ 6.1激光干涉测长 !u%XvxJwDb !MD uj 6.1.1干涉测长的基本原理 FmtV[C # 'X1/tB 8* 6.1.2激光干涉测长系统的组成 [gE2 ;J0* ,) 3Eog\- 6.1.3激光外差干涉测长技术 @t,Y< )U KA]5tVQA 6.1.4激光干涉测长应用举例 _n!W4zwi C +S>;1 6.2激光衍射测量
MVe4[< |F?/L> 6.2.1激光衍射测量原理 .^!uazPE0 #9@UzfZAwT 6.2.2激光衍射测量的方法 r[km gPld o<i\1<eI 6.2.3激光衍射测量的应用 ~&Y %yN^ 9rM6kLD 6.3激光测距 "I &,':O+ 4*_. m9{ 6.3.1激光脉冲测距 #s|/5[i 4[f>kY%[ 6.3.2激光相位测距 + dF/$+t q
`^ 5< 6.4激光准直及多自由度测量 {~~' {{e+t8J?? 6.4.1激光准直仪 V=5v7Y3( j _[u fH* 6.4.2激光衍射准直仪 Q`[J3-Q*{ Mp`i@p m+ 6.4.3激光多自由度测量 a X(Y
`g)| $}Ky6sBnvO 6.5激光多普勒测速 bWfT-Jewh |j~{gfpSE 6.5.1运动微粒散射光的频率 'n4
iW =&v&qn e9 6.5.2差频法测速 -!pg1w06 Lsz)\yIPj 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 8/+x1, S % q b7ur; 6.6环形激光测量角度和角加速度 dpI! {'"M ,L9ioYbp 6.6.1环形激光精密测角 *WZ?C|6+ ub=Bz1._ 6.6.2光纤陀螺 QAKA3{-( Sv|jR r' 6.7激光环境计量 n~G-X
p +O,C{^f 6.8激光散射板干涉仪 Y8%*S%yO _q 1E4z 思考练习题6 8d*W7>rq Dro2R_j{ 第7章激光加工技术 =@0/. oSD 2]f? c%)I 7.1激光热加工原理 zkmfu~_) a;[=b p 7.2激光表面改性技术 xE%sPWbj /U =eB?> 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 +JRP d.B"@ =hDFpb,mr 7.2.2激光表面熔凝技术 D0a3%LBS/2 !w=6>B^ 7.2.3激光熔覆技术 6F4OISy%3 x^P ~+(g 7.3激光去除材料技术 M|uWSG B_#U |10et 7.3.1激光打孔 Hlye:.$ w@"l0gm+u[ 7.3.2激光切割 K1*]6x, T9=55tpG9 7.4激光焊接 m(?ZNtBQt ^TCgSi7k`L 7.4.1激光热导焊 P
gK> Z, .|Zt&5osI 7.4.2激光深熔焊 SByn u :^oF0,-qZ 7.4.3激光复合焊 {3{cU#\QA &m J
+#vT 7.5激光快速成型技术 b9gezXAcd g<&n V>wF 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 s#*T( pY E |BE(F;K 7.5.2激光快速成型技术 6~_ TXy/ pk,]yi,ZF 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 Hp!c\z; mcB 8xE 7.6其他激光加工技术 ]-b`uYb H6I] GcZ$ 7.6.1激光清洗技术 7-u['n FJ 7@*l2edXm+ 7.6.2激光弯曲 | 0e7<[ X|iWnz+^ 思考练习题7 1ehl=WN | JD"iP : 第8章激光在医学中的应用 G$)f5_]7{ 6*]g~)7`Q~ 8.1激光与生物体的相互作用 sWc_,[b +>u iI4g 8.1.1生物体的 光学特性 vm
y?8E6+ CMI V"- 8.1.2激光对生物体的作用 {+V]saYP WzwH;! 8.1.3激光对生物体应用的优点 G V"Hk E; +4Uxq{.K 8.2激光在临床治疗中的应用 $V0G[!4 ZFN n(n 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 ^UEExj f 2sryhS'(H 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 Qx aW
x d}2$J1 ` 8.2.3激光在眼科中的应用 ~;#OQ[ L~PBD?l 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 X?8 EPCk #2~-I 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 x # Um` &=-ZNWNo 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 p]-\\o} xR`W9Z5 8.2.7光动力学治疗 [$ <\*d/ +"i|)yUYy} 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 i6Kcj CC8)yO 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 dpPu&m+ Tt.#O~2:9 8.3.2激光断层摄影 ;;#_[Zl +6$ |No 8.3.3激光显微镜 'Cv>V"X: ` =
@EN]u 8.4医用激光设备 aA |<W
g p!OCF]r 8.4.1医用激光 光源 ]#fmih^ &P@dx=6d 8.4.2医用激光传播用 光纤 'kC,pN{-> oieJ7\h]m 8.5激光应用于医学的未来 z3bRV{{YqN ,_$}>MY; 8.5.1医用激光新技术 $q
iY )RE a^ _ _Z3g, 8.5.2光动力学治疗的前景 NZTG)< s6k@W T?"^ 思考练习题8 [@&0@/s*t' nsM=n}$5x 第9章激光在信息技术中的应用 e@ mjh, X^td`}F/=V 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 RZgkl EU {#_CzI.0f 9.1.1半导体激光器 %lbDcEsf9 @F-InfB8. 9.1.2光纤激光器 'BiR ,M$mY %wDE+&M 9.1.3光放大器 U{JD\G 8m ]2 7 9.2激光全息三维显示 KmYSYNr@, 2 lc 9.2.1全息术的历史回顾 NR6wNz&81 QCD
MRh n 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 aWCZ1F n?[JPG2X 9.2.3白光再现的全息三维显示 tpY]Mz[J $5]} ] 9.2.4计算全息图 [B,w\PLub UD!-.I] 9.2.5数字全息术 ) {I0 H:k?#7D( 9.2.6全息三维显示的优点 [qL{w&R C$+z1z.! 9.2.7全息三维显示的应用 ^xt @ y v58~w*" 9.2.8全息三维显示技术的展望 <3)k M&.B LJc"T)>$` 9.3激光存储技术 -`8pahI '-l.2IUyT 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 1o8C4?T& j&Trvw<t 9.3.2激光光盘存储 L7`=ec< [X%Wg:K 9.3.3激光体全息光存储 QhJuH_f 0 ]wZlJK`K 9.3.4激光存储技术的新进展 z|$M,?r' !0Mx Bem 9.4激光扫描和激光打印机 +L,V_z @"G+kLv0 9.4.1激光扫描 ]i:_^z)R MtD0e@ 9.4.2激光打印机 hjgB[
&U> K0usBA 9.5量子光通信中的激光源 gWu<5Y=C KPrH1 [VU 9.5.1量子光通信 qN"Q3mU^h* WqJrDj~ 9.5.2量子态发生器及应用 Z_h-5VU- (U B?UJc 思考练习题9 jf^BEz5 p>l:^ -N;f 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 Q3I^(Ll"L t } YT+S 10.1激光核聚变 N`HiNb
[ /os,s[w 10.1.1受控核聚变 /U
3Uuk: 5~[m] 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 SaIY-PC |JLX gwML 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 q|g>; _ x^7 9s_h5 10.2激光冷却 %X BMi ~ dSI <s^n 10.3激光操纵微粒 ;O7Vl5R eBWgAf. k 10.3.1光捕获 v{X<6^g }0Ie Kpu5 10.3.2微粒操纵 x']Fe7nv
E 1`TQA 10.4超越经典衍射极限的分辨率 X`fb\}~ R( =<%[P9y 10.4.1解析延拓 !pZ<{|cH UDT\Xc 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 a D+4uGN \^1S:z 10.4.3傅里叶叠层算法 ek"U q RY iax0V 10.4.4相干谱复用 { 2)).g P~M[i9 V 10.4.5非相干结构光 照明成像 ?C` r3 \(MI DCZ@- 10.4.6超分辨荧光显微镜 W\2 ']7}e tZG l^mA"g 10.5激光光谱学 MD^,"!A \ 10KIAQ 10.5.1拉曼光谱 PJ YUD5 "~mY4WVG 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 )Dp0swJ M1icj~Jr 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 =4$ErwI_dm Pt hgxB^ 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 }xry pm=m~ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 Wu" 1M^a UM/!dt}DnF 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 2EO x],(| @,j,GE% 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 Bi2 c5[3 ^
L]e]<h( 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 ]q~bi<E9W P{x6e/ 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 58d[>0Xa[g B Dp")[l 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 inFS99DKx Gr 4v&Mz: 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 ):[}NDm C ! 1=*"H%t 思考练习题10 ]}kw'& tY>Zy1hlI 附录A随机变量 $
x:N/mMu` wBvVY3VQ^
A.1概率的定义和随机变量 sopf-g: BA2J dU A.2分布函数和密度函数 $}Ab R: z 1BEs> Sm A.3推广到两个或多个联合随机变量 J?dLI_{ < e=l:!E10 A.4统计平均 +TyN;e ~8yh,U 附录B随机过程 sQJGwZ 7 |j-ng; B.1随机过程的定义和描述 M\/hK2J# # `/Rqt+C B.2平稳性和遍历性 DR{O.TX y%X! l(gQ 参考文献 d]Y;rqju e :EAh%q
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