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。 .BBJhXtrdu P(b[|QF  YW&K,)L@
I[ \7Bf 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 f7\X3v2W}3 g =Xy{Vm
1.1光的波粒二象性 9t)Hi qj eS@j? Y0y 1.1.1光波 4s9@4 LOcZadr 1.1.2光子 Gg ~0>XS Gt*K:KT=L 1.2原子的能级和辐射跃迁 K;sC#9m )AkBo 1.2.1原子能级和简并度 B!x#|vGXL Q;y5E`G 1.2.2原子状态的标记 W0 sLMHq tB~#;:g 1.2.3玻尔兹曼分布 } aE' 8CUtY9. 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 iD|~$<9o /96lvn]8lO 1.3光的受激辐射 \}=T4w-e V.*M;T\i 1.3.1黑体热辐射 _3 oo%?} =O0A(ca"g 1.3.2光和物质的作用 ;BH.,{*@B iw/~t 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 >xS({1A} sU&v
B:]~ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率
q#mL-3OQ Z8bg5% 1.4光谱线增宽 "kFH*I+v o^X3YaS )
1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 :E6*m\X!3 d; l%XZe 1.4.2自然增宽 P:.jb!ZU bHRn}K+<}c 1.4.3碰撞增宽 d"db`8 ;S 1] =X 1.4.4多普勒增宽 dL% *;
}g-w[w 7p 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 iQ:eR]7X `9[n5-t 1.4.6综合增宽 [HWVS ef '?O 1.5激光形成的条件 F <p` )? K
|=o - 1.5.1介质中光的受激辐射放大 |}z5ST% EIQ3vOq6 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 X [dfms;H _";w*lg} 思考练习题1 ed',\+.uB _"Ym]y28li 第2章激光器的工作原理 .t G3g: uoE + :,P 2.1光学谐振腔结构与稳定性 Gn^lF7yE .lb]Xa*n 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 F*J1w|)F0 < r~hU*u 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 d"?"(Q_8 n lBFKfLp& 2.1.3稳定图的应用 hmkb! ) D8,8j; 2.2速率方程组与粒子数反转 H}~K51 80lhhqRC 2.2.1三能级系统和四能级系统 aQL0S j:, E`JW4)AH 2.2.2速率方程组 fK=0 ?]s}I ,i}EGW,9q 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 <bhGpLh-E %/e'6g< 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 SS%Bde&<{ h?/E /> 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 :]F66dh+ lG0CCOdQ 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 KH?6O%d 7Ji'7$ 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 e.MyJ:eL PUO7Z2 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 |%5Aku0`s Rl cL( HM 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 9F 3, !Ltx2CB2] 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 =dNE1rdzNa T:kliM"z 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 qB_s<cpn> J1O1! . 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 wX2U
AP>n-Z| 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 $s}w23nB jq] 5Y^e 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 o?/H<k\5 am? k 2.5激光器的损耗与阈值条件 Sd ^I >; EgPL+qL 2.5.1激光器的损耗 Mn&_R{{= $t& o(]m 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 6 M:?W " ,\
1X\ 2.5.3阈值条件 S+.>{0!S" U 5j4iz' 2.5.4对介质能级选取的讨论 &8i$`6wY t=}]4&Yp 思考练习题2 *ilVkV"U _/Ve~(
" 第3章激光器的输出特性 3HuocwWbz <ivG(a*=] 3.1光学谐振腔的衍射理论 Z}0{FwW"4 rlh:| #GTJ 3.1.1数学预备知识 F;`c0ja] mgH~GK f^ 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 V0A> + b7^q(}qE 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 fCNQUK{Gs5 UZFs ]z!,k 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 sM)1w- ) P9]/y 3.2对称共焦腔内外的光场分布 : Wx7a1.Jz & .1 -6 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 ]pB5cq7o "@VYJ7.1 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 1O0) +9T82 y y/'B:g 3.3高斯光束的传播特性 ^zT=qB l 7P2(q 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 _oa*E2VN |PYyhY 3.3.2高斯光束的相位分布 W Pr :d \6 J Y#% 3.3.3高斯光束的远场发散角 q0ab]g+ &Hf%Va[B 3.3.4高斯光束的高亮度
ZaaBg Kp7)my 3.4稳定球面腔的光束传播特性 6:}n}q,V X6B, Mply 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 oVP,a r0G nnBS;5 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 0 5?`W&:9 ; ,]4A{| 3.5其他几种常用的激光光束 KY<
$+/B! &m36h`tM 3.5.1厄米-高斯光束 ktfxb <% ;{wzw8! 3.5.2拉盖尔-高斯光束 ( -q0!]E zobFUFx 3.5.3贝塞尔光束 %/\sn<6C} tkptm%I _
3.6激光器的输出功率 Q:
-& kc$ W"J@ 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 x{!+ 4W;S C a ED(0 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 Bkn]80W /160p l 4 3.7激光器的线宽极限 5G2ueRVb $aT '~|? 3.8激光光束质量的品质因子M2 >2K'!@ ~' $!p2Kf>/Q 3.9模式激光的某些一阶统计性质 Pms Z= FY )xg8#M=K 3.9.1单模激光的一阶统计性质 v#g :]T \cX9!lHl 3.9.2多模激光的一阶统计性质 k rlebPs[ 'Q]Wk75 思考练习题3 rcLF:gd] E |Om][z 第4章激光的基本技术 /'VuMMJ2 >#S}J LZ 4.1激光器输出的选模 s^)(.e_ ,=@WE> ip 4.1.1激光单纵模的选取 }YC =q T$ FKn 4.1.2激光单横模的选取 k'F*uS
K4|fmgcy. 4.2激光器的稳频 {9P(U\]e]k YGyw^$.w 4.2.1影响频率稳定的因素 i 28TH
Jh
c*[aIqj 4.2.2稳频方法概述 * >NML]#0 =b )!l9TX 4.2.3兰姆凹陷法稳频 d{WOO)j Y nTx)uW 4.2.4饱和吸收法稳频 -c0 *
*fy aAv 4.3激光束的变换 6 PWw^ Cd .hf%L1N%F 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 y^X]q[-? RcR -sbR 4.3.2高斯光束的聚焦 Xk/:a}-l $S?xB$ 4.3.3高斯光束的准直 i(# Fjp F2n4#b 4.3.4激光的扩束 6khm@}} 1csbuR? 4.4激光调制技术 SBi4i;qD [
f<g?w 4.4.1激光调制的基本概念 n0':6*oGW KeyHxU=? 4.4.2电光强度调制 YD~(l-?" p NQ@aJ 4.4.3电光相位调制 /bC@^Y&} :.-KM7tDI1 4.5激光偏转技术 c qb6] 8_rd1:t5 4.5.1机械偏转 Z\1`(Pq7` I[ 06R 4.5.2电光偏转 YAi@EvzCVy %N7G>_+ 4.5.3声光偏转 s9u7zqCF -s91/|n 4.6激光调Q技术 hn&NypI S =sL: FC 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q ph ~#{B(\ 7{rRQ~s&g9 4.6.2调Q原理 ?IO3w{fmH q.ppYXJUXi 4.6.3电光调Q `RqV\ 6G+ eNFA.*p< 4.6.4声光调Q WL\*g] K4 $nf
% <Q 4.6.5染料调Q Sc]h^B^7 sY}0PB 4.7激光锁模技术 r)G)i;;~* *unJd"<*&@ 4.7.1锁模原理 Qeq=4Nq (b.Mtd 4.7.2主动锁模 4`"Q!T_' 7: C2xC 4.7.3被动锁模 {]y!2 r cgQ2Wo7tCq 思考练习题4 |'L$ogt6 /cD]m 第5章典型激光器介绍 3-![% u _ [hVGCSB 5.1固体激光器 uKT\\1Jrq H"V)dEm 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 BQ!_i*14+ <$ nMqUu0 5.1.2固体激光器的泵浦系统 pD6a+B\;k <+`}:
A 5.1.3固体激光器的输出特性 \mwxV!!b$ `9G1Bd8k 5.1.4新型固体激光器 fd1z
XK#Z2 w 1 O) 5.2气体激光器 - s:NF;" 8qq'q"g 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 #X<s_.7DJ k8ymOx 5.2.2二氧化碳激光器 Y}Nd2 ^0"[l { 5.2.3Ar＋离子激光器 be&,V_F L?hWH0^3 5.3染料激光器 ]~m2#g% eJZt&|7N 5.3.1染料激光器的激发机理 ZOHGGO]1M #xxs^Kbqa# 5.3.2染料激光器的泵浦 J|o )c~ }{) >aJ 5.3.3染料激光器的调谐 K1fnHpK G E fTs[ 5.4半导体激光器 9jt+PII )u5+<OG}= 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 -(![xZ1{K 4kf8Am( 5.4.2PN结和粒子数反转 ;rh@q4# k*= #XbX 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 r(/ +-
t ^$F1U,o i 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 *8xMe UxVxnJ_ 5.5其他激光器 F%q}N,W H5p&dNO 5.5.1准分子激光器 q{oppali #vvQ 1ub 5.5.2自由电子激光器 !5[5l!{x 8 gzf$Oc 5.5.3化学激光器 2t" &> 1 <>6 DPHg~ 思考练习题5 =! |= Y@ %C(^v)" 第6章激光在精密测量中的应用 zvnR'\A_ yixAG^< 6.1激光干涉测长 5KDN8pJN xsdi\
j;n> 6.1.1干涉测长的基本原理 +HNM$yp dn@_\5 6.1.2激光干涉测长系统的组成 a/H|/CB 3 dgM@|&9*m 6.1.3激光外差干涉测长技术 'z3I*[! X=i",5; 6.1.4激光干涉测长应用举例 |4|j5<5 k'JfXrW<! 6.2激光衍射测量 16R0#Q/{+* "AUHe6Yv 6.2.1激光衍射测量原理 5] yby"Z?} eww/tG a 6.2.2激光衍射测量的方法 _m n2bc9M Z`Sbq{Kx 6.2.3激光衍射测量的应用 X[KHI1@w w [7vxQ!- 6.3激光测距 &i?>mt x 2Cp{+} 6.3.1激光脉冲测距 x C+TO eJwHe G 6.3.2激光相位测距 DDwm;,eZ VgyY7IN x9 6.4激光准直及多自由度测量 :927y ?."YP[; 6.4.1激光准直仪 n(tx '&U"R xb~8uD5 6.4.2激光衍射准直仪 k]9v${Ke q,v)X 6.4.3激光多自由度测量 Kk9W =vd | )M>;q 6.5激光多普勒测速 jM!Q
04( .DG`~Fpk 6.5.1运动微粒散射光的频率 #9ZHt5T=$ ?,0 a#lG 6.5.2差频法测速 ]XhX aoqL Ne9S90HsB6 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 X/' t1 |g,99YIv> 6.6环形激光测量角度和角加速度 ].r~?9'/ N(=Z4Nk5 6.6.1环形激光精密测角 hX9vtV5L nBJ'ak 6.6.2光纤陀螺 @\s*f7 ~duF2m 72 6.7激光环境计量 FH7h ?!|t [h[@? 8vB 6.8激光散射板干涉仪 NY3. ?@Z d !=AS 思考练习题6 j9^V)\6) iininITOS{ 第7章激光加工技术 )]M,OMYq - x,: DL)$1 7.1激光热加工原理 #Q'j^y 7=z 9mRP%c#( 7.2激光表面改性技术 ~
NZC0& &.1qixXIr 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 [2 \jQv\Y )wyC8` &- 7.2.2激光表面熔凝技术 @
q:S]YB ^n~bx *f 7.2.3激光熔覆技术 q@[UeXu?pZ 4U>g0 7.3激光去除材料技术 h h7unHt- ( we)0AxF' 7.3.1激光打孔 +*L<"@ Gw-y6e'|Y 7.3.2激光切割 c$^~7.~{Qy y/>IF|aX 7.4激光焊接 v+(-\T\i Aa4 DJ 7.4.1激光热导焊 C WY-}M 7.FD16 7.4.2激光深熔焊 7 >-(g+NF! s
a{x.2/o} 7.4.3激光复合焊 AjD? _DPc 2$TwD*[ 7.5激光快速成型技术 ]8f$&gw&A -an~&C5\ 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 w:aV2 7_ s7 ); 7.5.2激光快速成型技术 V
`7(75 #5%ipWPHb 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 t Z@OAPRx =*{Ii]D 7.6其他激光加工技术 Pl\ NzB,` 3H qTVq`& 7.6.1激光清洗技术 Q8D#kAYw of8
>xvE| 7.6.2激光弯曲 unc8 WXW M$s 9 思考练习题7 s"5wnp6pW |eI!wgQx 第8章激光在医学中的应用 sB8v: DT3"uJTt 8.1激光与生物体的相互作用 p|g7 Z GBY{O2!3u 8.1.1生物体的 光学特性 Fv<3VKueK[ ),J6:O& 8.1.2激光对生物体的作用 _ %G ;^ b !v.
<H]s) 8.1.3激光对生物体应用的优点 4JRQ=T|P7I E V@yJ] 8.2激光在临床治疗中的应用 C#n.hgo>I @% jY 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 Rx lz`& I ]a [Ngj 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 ;FJFr*PM :. u2^*< 8.2.3激光在眼科中的应用 _+,>NJ 3
$a; 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 |$g} &P8; XT?wCb41R 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 OXnTD!m>{ P*n/qj8h 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 hP}-yW6] YC(X=
D 8.2.7光动力学治疗 $[ oRbH8g \k{d'R#~( 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 6O_l;A[=1 s|I$c;> 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 _2hZGC%&E Hk'R!X 8.3.2激光断层摄影 Gk
xtGe g C(@]% 8.3.3激光显微镜 zkquXzlgB Yv.7-DHNl 8.4医用激光设备 g7{:F\S tUt_Q;%yC 8.4.1医用激光 光源 ~C>clkZ l6zYiM 8.4.2医用激光传播用 光纤 Xzl$Q c a"`> J! 8.5激光应用于医学的未来 ]( FFvqA #r/5! *3 8.5.1医用激光新技术 axOEL:-|Bu
XRHngW_A 8.5.2光动力学治疗的前景 f!H/X%F xIwILY|W= 思考练习题8 ~~=]_lwyK% 3 . K #, 第9章激光在信息技术中的应用 = WHI/|& D8{ ,}@ 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 \_YDSmjy ^$X|Lq 9.1.1半导体激光器 P| hw LM HYL['B?Wid 9.1.2光纤激光器 m>RtKCtP WZTAXOw 9.1.3光放大器 'rTJ *1i t1G__5wp 9.2激光全息三维显示 =k>fW7e YrYmPSb= 9.2.1全息术的历史回顾 `sDLxgwI =dsEt\
j 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 yZ N~A: e )N< r 9.2.3白光再现的全息三维显示 O8cZl1C3 hiE YIx 9.2.4计算全息图 kBxEp/y v*&j A 8D 9.2.5数字全息术 "0,FB4L[U5 -+M360 9.2.6全息三维显示的优点 Ql%B=vgKL {> <1 K6t 9.2.7全息三维显示的应用 t2YB(6w+xg tfu `_6 9.2.8全息三维显示技术的展望 8&nb@l z;y{QO 9.3激光存储技术 9 )!} I ~^Xw7 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 x cn~KF8 \XYidj 9.3.2激光光盘存储 <*WGvCh%w KVh#"]<WV 9.3.3激光体全息光存储 9X,i Q 1up p E| 9.3.4激光存储技术的新进展 ^*.+4iH x tTF< DD }8 9.4激光扫描和激光打印机 !t cz_% jm@,Ihz=wI 9.4.1激光扫描 FJ4,|x3v[x G+Bk!o 9.4.2激光打印机 R\XS5HOE( fVf:voh 9.5量子光通信中的激光源 0kN Kt( _ Kn<+Au_]L 9.5.1量子光通信 ck%YEMs @}:E{J#g 9.5.2量子态发生器及应用 j7QK8O$XL FRajo~H 思考练习题9 #/jug[wf*! W G@3+R>{ 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 s^SU6P/ ] {I0U 4] 10.1激光核聚变 F'sX ^/; +/l@o u' 10.1.1受控核聚变 D B65vM MG~Z)+g=y 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 (_8.gS[
5S2 j5M00 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 p5tb=Zg_ JqZt1 um 10.2激光冷却 ok0ZI>=, E?czol Nl 10.3激光操纵微粒 eY'n S `/`iLso& - 10.3.1光捕获 </D.}ia |JF,n~n 10.3.2微粒操纵 IW& *3I<K (,jsZ!sl 10.4超越经典衍射极限的分辨率 J(@" 7RX WW{_D 10.4.1解析延拓 o $W@@aM 4w=v
/WDo 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 F6111Q </ 8a`3eM~?[ 10.4.3傅里叶叠层算法 ZO cpF1y yYYP;N?g4k 10.4.4相干谱复用 ~tyqvHC 0%%U7GFB5 10.4.5非相干结构光 照明成像 7M7Lj0Y)L w8R7Ksn( 10.4.6超分辨荧光显微镜 ZS4dW_*[
{U$XHG 10.5激光光谱学 y6tq emz i!*<LIq 10.5.1拉曼光谱 y0(.6HI Dy,MQIM|! 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 f S/:OnH _u^3u zu 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 Gf3-%s xA Y'~O_coG 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 xv l{o u"V,/1++\ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 "_\ " S pZopdEFDK| 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 8 yi#] 5`Q WZn;u3,R 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 8y<.yfgG ga/zt-& 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 )mf |3/o \%Y`>x . 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 ?%$O7_ThvA } % Ie 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 ]r3/hDRDL@ +DX P &Q 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 @ Do.Wgt K mH))LIv 思考练习题10 E;s _=j1f (}6\_k[}m 附录A随机变量 i 0/Q fB%O B !,&{ [D
A.1概率的定义和随机变量 dWiNe!oY2 ZCj1Cz]"l< A.2分布函数和密度函数 d]E={}qo& ]? H12xz A.3推广到两个或多个联合随机变量 Q"~% T@e 7F0J* M A.4统计平均 0Zwx3[bq6K c`\/] 附录B随机过程 G .<0^q, 1}Q9y `65 B.1随机过程的定义和描述 @@K/0:], gAorb\iJ B.2平稳性和遍历性 yUJ#LDW /huh}&NNu 参考文献 M^Z=~512g x$` lQ%  r'#!w3*Cy ;@ixrj0u （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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