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。 z]Zh vH7- MZf$8 R ";38v jIV ?P[uf 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 j <>|Hi
#` ^'i(@{{o\ 1.1光的波粒二象性 w#eD5y~'oo Q=J"#EFs 1.1.1光波 Z8nj9X$ 2 <w uzP| 1.1.2光子 H ];|<G y0>asl 1.2原子的能级和辐射跃迁 Z`nHpmNM %)T>Wn%b]v 1.2.1原子能级和简并度 <jF]SN |;_NCy8i3X 1.2.2原子状态的标记 `E>HpRcxD '/U[ ui0{ 1.2.3玻尔兹曼分布 E ZaWEW )ALPMmlRs 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 /%|JP{ $u_0"sU V 1.3光的受激辐射 b'Qia'a% B
PTQm4TN 1.3.1黑体热辐射 C%d\DuJ5'~ qLBXyQ;U 1.3.2光和物质的作用 NR-d|` P; y0cHs|8 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 *JE%bQ2Q
@#K19\dQ 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 :@) UI, ,80 qwN, 1.4光谱线增宽 By {zX,6' r#iZ FL3q 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 u
J y1 vI [2#5;') 1.4.2自然增宽 lY/ {X]T.( zWpJ\/k~ 1.4.3碰撞增宽 6M9t<DQV 3Yf&F([t 1.4.4多普勒增宽 o&P}GcEIw `Bk7W]{L 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 P:h;" m7wD#?lm 1.4.6综合增宽 t Ft56/4 1S9(Zn[2, 1.5激光形成的条件 t-Rfy`I3 ^;jJVYx-PP 1.5.1介质中光的受激辐射放大 B *7Y5_N :;W[@DeO[ 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 WZO8|hY `v3WJ>Q!N? 思考练习题1 ifj %!* r!SMF ]?SJ 第2章激光器的工作原理 :)VO,b~r OV3l)73?t 2.1光学谐振腔结构与稳定性 KBJw7rra )9F-h8
&" 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 "s!!\/^9C 1O@
qpNm 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 4k/B=%l eJA$J=^R; 2.1.3稳定图的应用 {Q],rv|; X{4jyi-< 2.2速率方程组与粒子数反转 I^"ou M9}Q zaW y7@? 2.2.1三能级系统和四能级系统 F: %-x=q c' cK+32 2.2.2速率方程组 _DsA<SJ] EdFCaW}"" 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 {y)O ?9q ws8@y r<R 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 ]j> W9n? M B.\G.bV 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 s}Phw2`1U Y~\71QE> 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 n^aSio6 z~&uLu 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 uQh dg4 wZ6D\I 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 d 90 6.
N ?=R 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 *69{#qN AsFn% 8_I 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 MzjV>. ^X-3YhJ4U 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 <vMna< /d Qn= 3b:S- 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 Zoe>Ow8mE` iV9wqUkMv 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 H$'|hUwds% N(i%Oxp1 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 A ! Em J ,fW QSc\} 2.5激光器的损耗与阈值条件 "XPBNv\>_ X&C&DTB 2.5.1激光器的损耗 BGM5pc (ei cs[_TJo 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 m 2c>RCq W\]bh'( 2.5.3阈值条件 S&/</% +m ?;,JGt 2.5.4对介质能级选取的讨论 =&+]>g{T oh*Hzb 思考练习题2 HI iMq'H^ Br/qOO:n$} 第3章激光器的输出特性 \s_lB~"P!3 & gF* p 3.1光学谐振腔的衍射理论 G!]%xFwYa -s~6FrKy 3.1.1数学预备知识 Mdk(FG( VnlgX\$} 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 rP4v_?Zg+ 6P,vGmR 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 j,<3[ .CJQ]ECl7p 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 ^gw htnI w V egr 3.2对称共焦腔内外的光场分布 5zk<s`h pe^hOzVv 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 LV4\zd6 2_S%vA<L 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 -,xCUG<g q/T(s 3.3高斯光束的传播特性 BdW Rm= $;O-1# ] 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布
Zl ,c+/ 7
s+j) 3.3.2高斯光束的相位分布 X;2I'
Kg $ ~>3bik@ 3.3.3高斯光束的远场发散角 '8%pEl^ ku2g FO 3.3.4高斯光束的高亮度 q%H`/~AYM Kmy 'z 3.4稳定球面腔的光束传播特性 \.0cA4)[$ m(2(Caz{ 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 NO$n-<ag GCrIa Z 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 )q.Z}_,)@ ceiUpWMu, 3.5其他几种常用的激光光束 N=2BrKb)o ! z!lQ~ 3.5.1厄米-高斯光束 01N]|F: GUX! kj 3.5.2拉盖尔-高斯光束 ]V*ku% L0 i 4sd29v 3.5.3贝塞尔光束 |\HYq`!g%7 ';H"Ye:D=7 3.6激光器的输出功率 ~* R:UTBtw ^Rel- =Z$B 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 yQP !Vt^ xXa* d 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 CsJ38]=Mt tx$i( 3.7激光器的线宽极限 l7{]jKJu e w@K4u{| 3.8激光光束质量的品质因子M2 w)Rtt 9 , s=jtK 3.9模式激光的某些一阶统计性质 ]m fI$p% *
': LBc=% 3.9.1单模激光的一阶统计性质 D)kh"cK*1 tVAWc$3T 3.9.2多模激光的一阶统计性质 t>f61<27eB S\\3?[!p 思考练习题3 ">{Ruv}$ a'NxsByG]s 第4章激光的基本技术 jruXl>T!U \>B$x@-wg 4.1激光器输出的选模 '7'*+sgi$ su?{Cj6* 4.1.1激光单纵模的选取 _oV ;Y`_ G<F+/Oi&DX 4.1.2激光单横模的选取 dwH8Zg$B ;8| D4+ 4.2激光器的稳频 9 S<87sO I "8:IF 4.2.1影响频率稳定的因素 fX:)mLnO / RFsd/K; Zp 4.2.2稳频方法概述 n;Nr[hI {S9't;%] 4.2.3兰姆凹陷法稳频 4$5d*7 ?&ow:OH+ 4.2.4饱和吸收法稳频 >AtW c
`[ ,> 4.3激光束的变换 7o+JQ& fF; @i j8AGE: 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 yN'< iTh S!L LC{ 4.3.2高斯光束的聚焦 pCB^\M%* MD"a%H#p 4.3.3高斯光束的准直 $0kuR!U.N "7> o"FQ 4.3.4激光的扩束 A#b`{C~l A QUl:0! 4.4激光调制技术 D.!ay>o0 # g':/hlQ 4.4.1激光调制的基本概念 aEO`` W +t9$*i9`L 4.4.2电光强度调制 34D7qR v$WH#;(\ 4.4.3电光相位调制 ].TAZ-4s +qWrm |O] 4.5激光偏转技术 g9T9TQ-O -a[[1 4.5.1机械偏转 IIZu&iZo\ *mv Dh9v 4.5.2电光偏转 35;UE2d)< _mEW ]9Sp 4.5.3声光偏转 n?UFF i+a D2,2Yy5 y 4.6激光调Q技术 =6sA49~M M1Frn n 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q n#US4&uT4A b0PQ;?R#V 4.6.2调Q原理 l [,RA?i
{ j O -H 1@; 4.6.3电光调Q a?d)l nk +zl2| ' 4.6.4声光调Q C;m,{MD Gz_[|,i 4.6.5染料调Q (G E) <n+]\a97* 4.7激光锁模技术 ]* #k|>Fl S-5|t]LV 4.7.1锁模原理 #1-2)ZO. T?DX|?2X 4.7.2主动锁模 Yn ~N;VUA .uoQ@3 4.7.3被动锁模 Q#h*C
ZT ~Z{IdE 思考练习题4 ]Qu.-F#g K3; lst>4 第5章典型激光器介绍 I6.!0.G AZ HZUd4 5.1固体激光器 San=E@3}v! Uo~-^w} 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 dF`\ewRFn 5n1aR A1 5.1.2固体激光器的泵浦系统 3IlflXb &*e( 5.1.3固体激光器的输出特性 id" -eMwp $:4* ?8 K2 5.1.4新型固体激光器 ,Fv8&tR v/s6!3pnl 5.2气体激光器 d3IMQ_k p`PBPlUn 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 `\pv^#5HV9 Dp8`O4YC 5.2.2二氧化碳激光器 Cj +{%^# /A4^l]H;+3 5.2.3Ar＋离子激光器 {,9^k'9 b@> MA 5.3染料激光器 ^^;#Si ]zt77'J 5.3.1染料激光器的激发机理 h(>eHP Ch;wvoy 5.3.2染料激光器的泵浦 >QcIrq%= ^'Z ?BK 5.3.3染料激光器的调谐 Ld 9YbL: ?R MOy$L 5.4半导体激光器 '=V!Y$t n 4H]~ ]?F& 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 GdlzpBl Rn4Bl8z'> 5.4.2PN结和粒子数反转 ;/79tlwq yPmo@aw]1 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 5.TeH@( X%sM na) 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 M];?W q; n 5.5其他激光器 RP9jZRDbZ )
u(Gf*t 5.5.1准分子激光器 %Ums'<xJ !,0%ZG}]7 5.5.2自由电子激光器 e*Gt%' vUNmN2pRJ 5.5.3化学激光器 zQ=c6xvm8 /E32^o|,> 思考练习题5 "B34+fOur N+3]C9 2o 第6章激光在精密测量中的应用 ?r}'0 dW ER'zjI>t@ 6.1激光干涉测长 >%?kp[ h@H8oZ[ 6.1.1干涉测长的基本原理 j ]X $7 p7{%0 6.1.2激光干涉测长系统的组成 @L/p "rJJ~[Y 6.1.3激光外差干涉测长技术 c*~ /`lG 5X1z^( 6.1.4激光干涉测长应用举例 EG&97l b 6 *GR_sMm 6.2激光衍射测量 @}oY6cW;B* Xk]:]pl4W 6.2.1激光衍射测量原理 {)5tov1 x[dR5 6.2.2激光衍射测量的方法 "pa2,-& ~ 5@b W J 6.2.3激光衍射测量的应用 x, rK4L7U j YVR"D; 6.3激光测距 \kS:u}Ip! D_D76 6.3.1激光脉冲测距 `m_ (' N Gdu5
&]H#6 6.3.2激光相位测距 5?=haGn $E,,::oJ 6.4激光准直及多自由度测量 :g~X"C1s 6VQe?oh 6.4.1激光准直仪 ">|G^ @|:A sWKe5@-o0 6.4.2激光衍射准直仪 HVLj(_
A AS-%I+ A 6.4.3激光多自由度测量 X?gH(mn ->S# `"@$ 6.5激光多普勒测速 S@^ o=B]] D9
\!9 7 6.5.1运动微粒散射光的频率 B ?%g@d-; nb|KIW 6.5.2差频法测速 j0q:i}/U, BufXnMh . 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 DPg\y".4Y& s)BB(vQ]6 6.6环形激光测量角度和角加速度 0n)99Osq(u *2^+QKDG 6.6.1环形激光精密测角 hVe39BBtO TO5#iiM) 6.6.2光纤陀螺 $s S;#r0 UfxY D 6.7激光环境计量 ah2L8jN" WXmR{za 6.8激光散射板干涉仪 9h/JW_ /73ANQ" 思考练习题6 (O-.^ VV 7) zF8V 第7章激光加工技术 # KgDOCQH /!A?>#O&. 7.1激光热加工原理 Bbj%RF2, w'Vm'zo 7.2激光表面改性技术 bD:[r))#e s,|"s|P 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 e anR$I;Yj O-,0c1ts 7.2.2激光表面熔凝技术 \C &V)/ I ]H P 7.2.3激光熔覆技术 E'iN==p_: A3s-C+@X 7.3激光去除材料技术 =~P)7D6 $VNj0i. Pr 7.3.1激光打孔 s g9 VBq|j"o0" 7.3.2激光切割 Em]2K: EC`=nGF 7.4激光焊接 6 6C_XT ,k |QuOrCh 7.4.1激光热导焊 K'f `}y9 >`=9So_J 7.4.2激光深熔焊 cUj^aT pm ~kp,;!^vr 7.4.3激光复合焊 ko+fJ&$ S>;+zVF ] 7.5激光快速成型技术 T?k!%5,Kj 5MHc gzyp 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 Y o w JuD&121N* 7.5.2激光快速成型技术 :>K8oE
9$s~ `z) 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 wB+X@AA zFm:=,9 7.6其他激光加工技术 rGm xK|R wz f 7.6.1激光清洗技术 wO&+ Bb\= K:q|M?_ 7.6.2激光弯曲 3,y z Rb ddzMwucjp 思考练习题7 3,^. 1" S~#
第8章激光在医学中的应用 V/Q/Ujgg C17$ qdV/ 8.1激光与生物体的相互作用 |crm{]7X +5"Pm]oRbx 8.1.1生物体的 光学特性 ApT E:Fm1 ;iO5
8S3 8.1.2激光对生物体的作用 @ MKf $O4K CLgfNrW~ 8.1.3激光对生物体应用的优点 U(:Di]>{ :$Xvq-#$| 8.2激光在临床治疗中的应用 c>%% 'c h'.B-y~c 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 C;I:?4 ows 3% 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 Mhu|S) hn #<DS-^W! 8.2.3激光在眼科中的应用 {F ',e~}s !W/"Z!k 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 ZVz`g] ;T :]?5W! 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 M
\UB
r4
<.=-9O6 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 PW+B&7{ B ^@X1EE 8.2.7光动力学治疗 x7!gmbMfK' gMs B1 | 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 TjS & V R!rj :f!> 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 c@Xb6 z_> ?T)M z
q} 8.3.2激光断层摄影 (W
|;gQ 1#KBf[0 8.3.3激光显微镜 F^CR$L& K H;MyT Vl 8.4医用激光设备 k:8NOx|s " ;r} yeI Sf 8.4.1医用激光 光源 mo"1|Q& NA+7ey6 8.4.2医用激光传播用 光纤 O>d
[;Q et=i@PB) 8.5激光应用于医学的未来 jI%glO'2 rgF4 W8 8.5.1医用激光新技术 4{ [d '-H5 =wlPm5 8.5.2光动力学治疗的前景 nh+Hwj#(x dP?QPky{9 思考练习题8 vZ1?4 hG 0UhJ
I 第9章激光在信息技术中的应用 9V|) 3GF &qP0-x) 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 [l}H% S $f=6>Kn|^] 9.1.1半导体激光器 zEt!Pug 6+4SMf3 9.1.2光纤激光器 gxmY^" Jy
N@X(YlO 9.1.3光放大器 WAf "| Ax*xa6_2 9.2激光全息三维显示 PYTwyqS q6}KOO ) 9.2.1全息术的历史回顾 s8dP=_ ` Q na*K7kv 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 /[!<rhY [\rzXE 9.2.3白光再现的全息三维显示 O l; DJV uU=!e&3 9.2.4计算全息图 tIS.,CEQF 2I283%xr 9.2.5数字全息术 =#vJqA "^)GnK +- 9.2.6全息三维显示的优点 Pn l}<i |g'ceG- 9.2.7全息三维显示的应用 >[;L. 7CH.BY 9.2.8全息三维显示技术的展望 I&`aGnr^^ B$qTH5)W 9.3激光存储技术 A0OA7m:~4 fL*+[v4 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 _l 2_) ~ LTB
rg[X 9.3.2激光光盘存储 Q\>mg*79 {< EPm&q 9.3.3激光体全息光存储 2.vmZ aKP K0D|p $v 9.3.4激光存储技术的新进展 }I1j #d0. iC Ce8nK 9.4激光扫描和激光打印机 j{D tjV8 O*.n;_& 9.4.1激光扫描 L4Kg%icz l J *38GX+ 9.4.2激光打印机 ;NE4G;px4< UD.Z nE{" 9.5量子光通信中的激光源 qHT73_R CM%;/[WBxy 9.5.1量子光通信 I;n <)
> K-@\";whF 9.5.2量子态发生器及应用 /8!n7a7 +v$W$s&b-h 思考练习题9 OMM5ALc(F w=3
j'y{f 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 sPVE_n |3 Iug 10.1激光核聚变 =:!>0~ e=aU9v
L 10.1.1受控核聚变 wS+!>Q_]w *}T|T%L4) 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 v??$z#1F3 ' sNiJ > 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 W;l0Gx OxQ {> 8?6m- 10.2激光冷却 K|OPtYeb luyu 7` 10.3激光操纵微粒 8vtembna4 bub6{MQW8e 10.3.1光捕获 :KR
KD >#'?}@FWQN 10.3.2微粒操纵 ~<~
~C#R Z`86YYGK 10.4超越经典衍射极限的分辨率 y. 1F@w| m
OE!`fd 10.4.1解析延拓 0igB pHS |i #06jIq 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 ]T)<@bmL :Ocw+X3 10.4.3傅里叶叠层算法 t`{T:Tjc 7S^G]g!x 10.4.4相干谱复用 $zU%?[J 9_,f)2)~W 10.4.5非相干结构光 照明成像 ,,+4d :8$ sHMO9{[7H 10.4.6超分辨荧光显微镜 W amOg 0 X/90S2=P 10.5激光光谱学 0xO*8aKT M_-L#FHX 10.5.1拉曼光谱 v;U5[ <pjxJ<1 l 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 (x?T jyzw (vX< B h 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 Pqw<nyC. Pr(@&:v: 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 R&&&RI3{ =6O*AJ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 {: #nrD" <<E 9MIn_ 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 QxGcRlpLK K)se$vb6 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 "tl$JbRTY Kop(+]Q&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 uwr7 .\ 7 J=gFiBw 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 xy4+
[u vp.?$(L^@/ 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 |FM*1Q[1 )wC NLi>4 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 Ie(.T2K Hh*?[-&r~ 思考练习题10 EG| dN(qh S*|/txE'~Y 附录A随机变量 '
|B 3@9 < **kix A.1概率的定义和随机变量 Y&8,f|{R #0Y_!'j A.2分布函数和密度函数 p r7lm5 3Jlap=]68S A.3推广到两个或多个联合随机变量 Rz|@Bx B>n Qni`k)4 A.4统计平均 Up'#OkTx |*UB/8C^/! 附录B随机过程 ZV+tHgzlv5 3NDddrL9 B.1随机过程的定义和描述 Yz Q1c~+ 5Gy#$' kdf B.2平稳性和遍历性 i,a" 5D R8 #Xo x2{~ 参考文献 X!^|Tass Z [d13G;  c$71~|-[ 1O NkmVtL （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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