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。 {e q378d  
tzv4uD]  
)@P*F)g~  
E(vO^)#  
第1章辐射理论概要与激光产生的条件 #Ge_3^'  
FBbaLqgVF{  
1.1光的波粒二象性 uB#U( jl  
1z4_QZZ.NG  
1.1.1光波 1vxQ`)a  
j=Izwt>   
1.1.2光子
@$'pMg  
&FuL{YL  
1.2原子的能级和辐射跃迁 >239SyC-,  
n1PBpM9!  
1.2.1原子能级和简并度 H5V>d  
`( w"{8laB  
1.2.2原子状态的标记 xVgm 9s$"c  
iJZNSRQJ}r  
1.2.3玻尔兹曼分布 5-y*]:g(  
+I3O/=)  
1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 U^7bj  
`*BV@  
1.3光的受激辐射 R PoBF~>  
qDYNY`  
1.3.1黑体热辐射 _>rM[\|X  
wc.=`Me  
1.3.2光和物质的作用 x
)GheM^  
AI|+*amTd  
1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 O5Z9`_9<  
YB<nz<;JR  
1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 tfZ@4%'  
I "O^.VC  
1.4光谱线增宽 \$*CXjh3G  
k54\H.  
1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 <U1T_fiBoc  
mC$y*G  
1.4.2自然增宽 !|UX4  
{Dk!<w
I)  
1.4.3碰撞增宽 '^>} =f  
goA=U  
1.4.4多普勒增宽 Tjq1[Wq  
dH PvVe/  
1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 `lWGwFgg(  
JJ%@m;~  
1.4.6综合增宽 0<a|=kZ  
BV:Ca34&  
1.5激光形成的条件 s)`(@"{  
()bQmNqmO=  
1.5.1介质中光的受激辐射放大 Qrg- xu=  
"YY<T&n  
1.5.2光学谐振腔和阈值条件  Pd\4hy  
}7(+#ISK6  
思考练习题1 !'p<Kh[i  
t!*[nfR  
第2章激光器的工作原理 .P aDR |!  
6p*X8j3pW  
2.1光学谐振腔结构与稳定性 _:=\h5}8  
,]7ouH$H}
 
2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 `Wg"m~l$N  
G<D8a2q  
2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 GIH{tr1:<  
+pwTM]bV  
2.1.3稳定图的应用 tWTHyL  
$rmxwxz&W:  
2.2速率方程组与粒子数反转 G)%V 3h  
Zk((VZ(y  
2.2.1三能级系统和四能级系统 }P0bNY5?%  
Z@Zg3AVU  
2.2.2速率方程组 [`b,SX x  
<)wLxWalF  
2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 ~`FRU/@r  
@Kz,TP!%A  
2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 @n?"*B  
ch]Q
z[d  
2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 yuBRYy#E|%  
))f@9m  
2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 =VzJ>!0  
G=|?aK{p  
2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 R}gdN-941  
Dg.~"h5mT  
2.3.1均匀增宽介质的增益系数 e'A_4;~@s  
K~,!IU_QG  
2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 wGNEb  
1C{0
 R.  
2.4非均匀增宽介质的增益饱和 <<u]WsW{C  
iL);bv W  
2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 %xCL&}bY  
JCnHEH
 
2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 Y4 z  
}6\,kFc  
2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 <Y7j'n  
U1y!R<qlp  
2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 t2)uJN`a$X  
6Q7=6  
2.5激光器的损耗与阈值条件 a<q9~QS  
(0q`eO2  
2.5.1激光器的损耗 .O1w-,=  
aOGoJCt C  
2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 3WF]%P%  
4;J.$  
2.5.3阈值条件 H 4ELIF#@  
F$tzsz,9n  
2.5.4对介质能级选取的讨论 Mb2a;s  
3-hcKE  
思考练习题2 STjb2t,a  
kE'p=dXx  
第3章激光器的输出特性 <M1*gz  
9nc_$H{  
3.1光学谐振腔的衍射理论 8iaMr278W  
lqOpADLS3  
3.1.1数学预备知识 _]o7iqtv  
ai$l7]7  
3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 ?wG  
{AD-p!6G  
3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 X5/j8=G H`  
V[kJ;YLPN  
3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 bT2c&VPCE  
9`/e=RL  
3.2对称共焦腔内外的光场分布 6 :3Id  
\-]Jm[]^  
3.2.1共焦腔镜面上的场分布 Al*=%nY  
J' P:SC1  
3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 "r@#3T$  
wsB-( 0-  
3.3高斯光束的传播特性 \A\  

6jc5B#  
3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 elGBX h  
6O{QmB0KK  
3.3.2高斯光束的相位分布 e_epuki  
9)vU/fJ|  
3.3.3高斯光束的远场发散角 )J@[8 x`  
>l)x~Bkf$j  
3.3.4高斯光束的高亮度 n$SL"iezW?  
_@XueNU1hS  
3.4稳定球面腔的光束传播特性 ,0h{RZKw  
TDR|*Cs  
3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 w,j!%N  
P{K\}+9F   
3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 1YMi4.  
O
XM=@B<"  
3.5其他几种常用的激光光束 Pzzzv^+  
+1cr6a  
3.5.1厄米-高斯光束 {= &&J@:  
>Vq07R  
3.5.2拉盖尔-高斯光束 |khFQ(  
81|[Y'f  
3.5.3贝塞尔光束 ]Whv%  
G2wSd'n*y  
3.6激光器的输出功率 C<a&]dN/  
H?r~% bh  
3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 Pl'lmUR  
'j'6x'[>]  
3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 ,ov$`v  
bz nMD  
3.7激光器的线宽极限 {f4jE#a
>v  
a
U.3  
3.8激光光束质量的品质因子M2 [AFR \{  
k8n9zJ8  
3.9模式激光的某些一阶统计性质 C3=0st$  
8SroA$^n  
3.9.1单模激光的一阶统计性质 X=?9-z] QO  
uYlyU~M:D  
3.9.2多模激光的一阶统计性质 <^> nR3E  
s7}-j2riq  
思考练习题3 (bI/s'?K  
gA
EB  
第4章激光的基本技术 L:&'z:,<  
<nk/w5nKL  
4.1激光器输出的选模 E]vox~xK>  
GKWsJO5 n  
4.1.1激光单纵模的选取 `Zmdlp@  
=YO<.(Lu  
4.1.2激光单横模的选取 N\]-/$z  
T-4dD  
4.2激光器的稳频 n|H
8O3@  
/: -&b#+  
4.2.1影响频率稳定的因素 HI:
1Voy  
XkUwO ]
 
4.2.2稳频方法概述 AwuhFPG  
=`(W^&|  
4.2.3兰姆凹陷法稳频 6j1C=O@S  
-0`
n(`2  
4.2.4饱和吸收法稳频 D{d%*hlI 3  
'HV@i)h0%V  
4.3激光束的变换 Lf<urIF  
O`_, _  
4.3.1高斯光束通过薄透镜时的变换 @>ys,dy  
@[\zO'|  
4.3.2高斯光束的聚焦 >U\P^y
U  
pfc"^Gi8  
4.3.3高斯光束的准直 Ht}?=ZzW  
5(1c?biP&  
4.3.4激光的扩束 ^"iL|3d  
<h+UC# .x  
4.4激光调制技术 xp^Jp  
N2j^fZd_  
4.4.1激光调制的基本概念 2Kr8#_) 0  
fO#nSB/ 8  
4.4.2电光强度调制 ?c"iV  
?%ltoezf  
4.4.3电光相位调制 S1~EJa5H  
+S#Xm4  
4.5激光偏转技术 inq {" 6  
M.qv'zV`xG  
4.5.1机械偏转 NTK9`#SA  
f#I#24)RH  
4.5.2电光偏转 Wzffp}V  
%<O~eXY  
4.5.3声光偏转 |eye) E:  
5mL4Zq"  
4.6激光调Q技术 (
*vBpJyz%  
:T@}
CJ  
4.6.1激光谐振腔的品质因数Q fpO2bD%$8  
]sP  
4.6.2调Q原理 %ib7)8Ki0  
X
N\rq=  
4.6.3电光调Q rkdA4'66w  
]TtID4qL  
4.6.4声光调Q 2"}Vfy  
)L":I  
4.6.5染料调Q I 5ZDP|  
\?Xoa"^  
4.7激光锁模技术 qv:DpK  
uB6Mjdp6  
4.7.1锁模原理 +4qR5
(W  
|h/{qpsu  
4.7.2主动锁模 # eFdu  
EKQ>hww8  
4.7.3被动锁模 ~`$P-^u88X  
WD kE 5  
思考练习题4 s`v$r,N0  
x.Ny@l%]  
第5章典型激光器介绍 pP"j|  
QWt3KW8)  
5.1固体激光器 NCo!n$O1~  
sC2
NFb-+&  
5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 QaA?UzB  
k`z]l;:  
5.1.2固体激光器的泵浦系统 @li/Y6Wh  
$i!r> .Jo  
5.1.3固体激光器的输出特性 f?16%Rk<  
f1U8 b*F<  
5.1.4新型固体激光器 DV>;sCMJ %  
el2<W=^M  
5.2气体激光器 x",ktE>9  
+`$$^x  
5.2.1氦氖(He�睳e)激光器 w7q6v>  
zyP/'X_~:  
5.2.2二氧化碳激光器 *L Y6hph"  
DH i@ujr  
5.2.3Ar＋离子激光器 G-:7,9  
23'{{@30  
5.3染料激光器 Gfy9YH~  
cc1M9kVi  
5.3.1染料激光器的激发机理 P{J9#.Zq&s  
1#fR=*ZM"  
5.3.2染料激光器的泵浦 N K@6U_/W  
t0/Ol'kgs  
5.3.3染料激光器的调谐 O69TU[Vn  
}!|$;3t+c  
5.4半导体激光器 :v$)Z~  
*/@I$*  
5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 Y;E'gP-J  
t56PzT'M  
5.4.2PN结和粒子数反转 VP~%,=  
O@dK^o  
5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 
}5$le]  
~RBa&Y=Mb  
5.4.4同质结和异质结半导体激光器 /t2H%#v{  
lh XD9ed  
5.5其他激光器 @LS%uqs  
B T {cTj0W  
5.5.1准分子激光器 0=40}n&`  
kK:Wr&X0H  
5.5.2自由电子激光器 w`M`F<_\:  
b+
f '  
5.5.3化学激光器 C}L2'l,  
Y~#F\v  
思考练习题5 ^'+#BPo9@  
DPmY_[OAE  
第6章激光在精密测量中的应用 #~qzaETv,  
vI48*&]wTf  
6.1激光干涉测长 :C0)[L  
^AXH}g  
6.1.1干涉测长的基本原理 D)S_ p&  
/_8nZVu  
6.1.2激光干涉测长系统的组成 #8BI`.t)j  
p`52  
6.1.3激光外差干涉测长技术 CEzdH!nP  
[;:ocy  
6.1.4激光干涉测长应用举例 FBzsM7]j  
pY%KI  
6.2激光衍射测量 {FILt3f;  
V;Ln|._/t  
6.2.1激光衍射测量原理 f3.oc9G  
CalWJ  
6.2.2激光衍射测量的方法 Q?`s4P)14o  
(b"q(:5oX  
6.2.3激光衍射测量的应用 ;Cty"H,  
t9lf=+%s  
6.3激光测距 ]j$(so"  
q,;wD1_wG  
6.3.1激光脉冲测距 wCj)@3F  
A ;|P
\V  
6.3.2激光相位测距 9gIim
 
'b
g'^PN>z  
6.4激光准直及多自由度测量 oBo |eRIt|  
DC_k0VBn  
6.4.1激光准直仪 REsw=P!b  
_?I*:: I  
6.4.2激光衍射准直仪 ~9;udBfwF  
qIh9? |`U  
6.4.3激光多自由度测量 U5?QneK  
@s,kx.S  
6.5激光多普勒测速 Y\4B2:Qd9  
}"kF<gG1  
6.5.1运动微粒散射光的频率 dAM]ZR<  
.O&YdUo  
6.5.2差频法测速 taO(\FOm  
GE!p  
6.5.3激光多普勒测速技术的应用 $uRi/%Q9  
)vuIO(8F#  
6.6环形激光测量角度和角加速度 |=:hUp Jp  
w:R#F( 'B  
6.6.1环形激光精密测角 )?6%d  
~HKzqGQy>  
6.6.2光纤陀螺 I"KosSs  
s<3M_mt  
6.7激光环境计量 O+=}x]q*y  
7(|f@Y~*  
6.8激光散射板干涉仪 \ *g3j  
J5xZLv  
思考练习题6 ^^a%Lz)U  
VG50n<m9  
第7章激光加工技术 s |o(~2j  
>>8{N)c5E  
7.1激光热加工原理 T&Z
*=ShH  
'tX}6wurf  
7.2激光表面改性技术 KYz@H#M  
j;-2)ZLm  
7.2.1激光淬火技术的原理与应用 yOk{l$+  
LIyb+rH#yg  
7.2.2激光表面熔凝技术 k
_gl$`A  
0eK>QZ_  
7.2.3激光熔覆技术 M<Dvhy[  
mDuS-2G=D  
7.3激光去除材料技术 Wq}W )E  
2 ksbDl}  
7.3.1激光打孔 7[0CVWs,  
~|LAe-e"  
7.3.2激光切割 W?[ C au-  
DH4IF i>  
7.4激光焊接 bPV;"  
Zv8_<>e  
7.4.1激光热导焊 {*<%6?  
8u1?\SYnb  
7.4.2激光深熔焊 T!^v^m@>y  
WKwYSbs(  
7.4.3激光复合焊 w")m]LV  
4C*0MV  
7.5激光快速成型技术 6(E
R$  
;w._/  
7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ' hdLQ\J  
]M~7L[  
7.5.2激光快速成型技术 JLg/fB3%  
N0 mhgEA  
7.5.3激光快速成型技术的重要应用 1hc`s+N  
#6pJw?[  
7.6其他激光加工技术 ~w.y9)",  
Xc~BHEp  
7.6.1激光清洗技术 ZzP&Zrm  
e-VGJ
xR  
7.6.2激光弯曲 o5m]Gqa  
9XUk.Nek  
思考练习题7 =T)y(] ;M$  
J.O{+{&cd  
第8章激光在医学中的应用 HJd{j,M  
`91Z]zGpU  
8.1激光与生物体的相互作用 %Z-xh<&  
MIN}5kc<  
8.1.1生物体的光学特性 `_BmVms  
Tz0XBH_  
8.1.2激光对生物体的作用 z<J2e^j  
gN*b~&G  
8.1.3激光对生物体应用的优点 uWP0(6 %  
uh>"TeOi  
8.2激光在临床治疗中的应用 t%@u)bp  
6^2='y~e  
8.2.1激光临床治疗的种类与现状 |Nadk(}  
. K_Jg$3  
8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 ,?+uQXfX
R  
A.RG8"  
8.2.3激光在眼科中的应用 bkrl>Im<n  
Lg7dJnf  
8.2.4激光在泌尿外科中的应用 ^/xb-tuV  
,jl4W+s  
8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 >\3N#S"PF  
43~v1pf{!  
8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 ]3Jb$Q@  
+4Q1s?`  
8.2.7光动力学治疗 ,C:^K`k&  
KTeR;6oZn"  
8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 kxmsrQ
>av  
<q&i"[^M  
8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 r"t,/@`n  
JbN,K  
8.3.2激光断层摄影 _x$\E  
VZ7E#z+nM#  
8.3.3激光显微镜 #F6M<V'  
Pu'NSNT  
8.4医用激光设备 &2n5m&  
!P":z0K4  
8.4.1医用激光光源 [<>%I#7ulG  

1)f <  
8.4.2医用激光传播用光纤 by$mD_sr  
E?VOst&  
8.5激光应用于医学的未来 9! yDZ<s  
|3hNTH?  
8.5.1医用激光新技术 6y"T;.FAo  
Qv
)DSl  
8.5.2光动力学治疗的前景 ' t^ r2N/  
 RcZ&/MY  
思考练习题8 <~u-zaN<W  
Jyp7+M]  
第9章激光在信息技术中的应用 E `V?Io  
aY DM)b}  
9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 O5:[]vIn  
cE?p~fq<  
9.1.1半导体激光器 ]?NiY:v  
G-#rWZ&  
9.1.2光纤激光器 f>m! }F:  
!LsIHDs
4  
9.1.3光放大器 c(!pcB8  
NS "1zR+  
9.2激光全息三维显示 A-h[vP!v|  
']Z%6_WF  
9.2.1全息术的历史回顾 7Jpq7;  
s%A?B8,  
9.2.2激光全息术的基本原理和分类 H8m[:K]_H  
D}N4*L1  
9.2.3白光再现的全息三维显示 ?.c:k;j  
/4upw`35]  
9.2.4计算全息图 S8C}C
#  
Cn_r?1{W  
9.2.5数字全息术 <y#@v  G  
J?1Eh14KZ  
9.2.6全息三维显示的优点 AdzdYZiM_  
(^]3l%Ed  
9.2.7全息三维显示的应用 d^0-|sx  
|\)Y,~;P  
9.2.8全息三维显示技术的展望 ?/(
*cA  
g'EPdE  
9.3激光存储技术 O@skd2  
iEbW[sX[4  
9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 6t'.4SR  
=>O{hT^F  
9.3.2激光光盘存储 gm1RQ^n,@.  
dki3(  
9.3.3激光体全息光存储 kZfj"+p_S  
&M=15 uCK  
9.3.4激光存储技术的新进展 g+xcKfN{  
HaRx(p0  
9.4激光扫描和激光打印机 .g.glQ_~=  
'"h}l`  
9.4.1激光扫描 Gc;-zq  
%2^V.`0T  
9.4.2激光打印机 6H0aHCM  
-WGlOpg0;  
9.5量子光通信中的激光源 GY"c1KE$  
iaQFVROu  
9.5.1量子光通信 2/x~w~3U  
Wxi;Tq9C@_  
9.5.2量子态发生器及应用 HaF&ooI5+  
(.b!kfC  
思考练习题9 0QEcJ]Qb8  
yP34h*0B  
第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 INRRA  
C%/@U[;  
10.1激光核聚变 <t"fL RX  
7(H?3)%0  
10.1.1受控核聚变 X3y28 %R   
>VG*La'c  
10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 BT f  
]
puDqu5!  
10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 upq3)t_
  

.mxc~  
10.2激光冷却 msOE#QL6a  
J?jxD/9Yb  
10.3激光操纵微粒 e'fo^XQn[  
_&]Gw, ~/i  
10.3.1光捕获 gUiZv8C  
*~.'lE%[U  
10.3.2微粒操纵 aED73:
b  
D<[kbt5^7  
10.4超越经典衍射极限的分辨率 A^4#6],%v  
JYLAu4s6  
10.4.1解析延拓 drp< f1`l8  
59V8cO+qH  
10.4.2综合孔径傅里叶全息术 .{(gku>g(  
-y/Y%]%0  
10.4.3傅里叶叠层算法 >&T J  
4OG1_6K  
10.4.4相干谱复用 zXe]P(p<  
tNAmA  
10.4.5非相干结构光照明成像 >=3oe.$)  
q%XjJ -s:  
10.4.6超分辨荧光显微镜 Q0L1!}w   
#6#%y~N
 
10.5激光光谱学 _?XR;2]
 
UUvR>5@n  
10.5.1拉曼光谱 '"6*C*XS  
1=^|  
10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 O1oh,~W  
CH6;jo]  
10.5.3频率高分辨的双光子光谱 O`;o"\P<  
]hbrzvo  
10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 T|5uywA|  
;rXZ?"  
10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 <JW%h :\t  
/5?tXH"  
10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 f2ck=3  
`
/(9#E  
10.6.1电磁波的正常多普勒效应 ZtpbKy!\$B  
XMLl>w2z  
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/w<_j~  
{$C"yksr  
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 UxnZA5Lk*  
i~m;Ah,#  
10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 W QeQ`pM  
PE6ZzxR|U<  
10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 8(H!iKHe  
Qn/6gRLj  
思考练习题10 YIHGXi<"n  
\{o<-S;h  
附录A随机变量 :]8!G- Z  
jori,"s  
A.1概率的定义和随机变量 e`?o`@vO,  
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.I0n  
A.2分布函数和密度函数 |8akp  
x, 'KI?TyQ  
A.3推广到两个或多个联合随机变量 ^,Ft7JAn  
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C5A  
A.4统计平均 H$6;{IUz~  
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附录B随机过程 mS+sh'VH  
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B.1随机过程的定义和描述 1gX$U00:  
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B.2平稳性和遍历性 yY"n:&T(  
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参考文献 ?4_ME3$t  
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