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。 ,jw`9 a OqF8KJnO; i -@V <1* \ ~CX 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 Q^05n$ tI vMJ(L l7/ 1.1光的波粒二象性 4Xt`L"f /<k 5"C% z 1.1.1光波 U:c 0s ^si[L52BZ 1.1.2光子 1:@ScHS N cGFPi (Z 1.2原子的能级和辐射跃迁 cg9}T[A Z6Kp-z(l3 1.2.1原子能级和简并度 5e7\tBab 7(^F@, ,@ 1.2.2原子状态的标记 :!?Fq/! GY0OVAW6'c 1.2.3玻尔兹曼分布 aXZ i 2 uf (_<~ 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 Z
d@B6R bF+j%= 1.3光的受激辐射 Pv\8 \,B9 \6"=`H0} 1.3.1黑体热辐射 oEFo7X`t V U5</si+ 1.3.2光和物质的作用 (FgX9SV]p9 /nX_Q?mo 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 w&J_ c8S ~.0'v [N 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 ^ L7!lzyo ) vVf- zU 1.4光谱线增宽 $}z/BV1I h5-yhG 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 h9iQn<lp4. F8Mf,jnPs 1.4.2自然增宽 m!P<#
|V X{ 6a 1.4.3碰撞增宽 elp Tak@ sdyNJh7Jr 1.4.4多普勒增宽 v* <rNZI `P*BW,P'T 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 =20
+(< C=cn .CX 1.4.6综合增宽 2cRru]V Z5 T3 4Z#PFwe 1.5激光形成的条件 *n[B Bz +/]*ChrS 1.5.1介质中光的受激辐射放大 3#>%_@< $\~cWp v 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 ;#0$iE SB .=x 思考练习题1 x7`+T 1IJ uZ>q$
F 第2章激光器的工作原理 gMkSl8[ Hr!$mf) h 2.1光学谐振腔结构与稳定性 >lzXyT6x8 ZW0\_1 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 LEOa=(mN\ )EKWsGNe/ 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 iDhC_F| &?Q^i">cZ 2.1.3稳定图的应用 /;1O9HJa w9O!L9 6 2.2速率方程组与粒子数反转 U[8F{LX U|\ .)h= 2.2.1三能级系统和四能级系统 z 1^fG) vH 1,As 2.2.2速率方程组 @7.7+blS"H - _6`0 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 dG]B-(WTC 9PV+Kr!c5I 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 EBz4k)@ m iXL^[/}&?M 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 g; nLR<] cs9h\]ZA 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 .cw)Y#;IG fqq4Qc)#U& 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 3
v.8 / #rH18 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 ED" fi$ p|mFF0SL 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 rXE0jTf:a !c M<&3/ 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 dC-~=} HR^ [{[m)Z^ 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 8~s0%%{,M y@1QVt04 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 J:&.[ ]7yxXg 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 748:*
(O pL`Q+}c} 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 J[hmY= , vTK8t:JQ~ 2.5激光器的损耗与阈值条件 bGK*1FlH Bmcc SC;o4 2.5.1激光器的损耗 \)wc h P_0 w\eC{,00: 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 o$+R q1x[hv3
pP 2.5.3阈值条件 j2u'5kJ
G ^,AE;Z T7 2.5.4对介质能级选取的讨论 r =vY-p 7
@}`1>97 思考练习题2 -$0}rfX xU0iz{ 9 第3章激光器的输出特性 \=im{(0h {f)aFGp 3.1光学谐振腔的衍射理论 dh [kx n8_X<jIp3 3.1.1数学预备知识 C/qKa[mg &ZkJ,- 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 [MwL=9;!H yI#qkl- 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 0a8\{(w .KC V|x;QW 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 GIc q|Pe L8f+uI 3.2对称共焦腔内外的光场分布 p5vQ.Ni*\- #0uu19+} 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 X1a~l|$h &oB*gGRw=7 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 U]vUa^nG ?QJx!'Y,p 3.3高斯光束的传播特性 jd u6P+_8n f'(F'TE 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 qK#"uU8B z _\L@ b 3.3.2高斯光束的相位分布 !-470J :f 39)g5> 3.3.3高斯光束的远场发散角 )e`9U.C <Z 3C&BM 3.3.4高斯光束的高亮度 _B erHoQd stUv! 3.4稳定球面腔的光束传播特性 D})/2O p QK0]9 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 Oy=0Hsh@x \y=28KKc:c 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 *<:X3|3E Ib{l$# 3.5其他几种常用的激光光束 (:`4*xK
@S}j=k 3.5.1厄米-高斯光束 W$SV+q(rT H %U 3.5.2拉盖尔-高斯光束 #I0FWZ>W X;6;v] 3.5.3贝塞尔光束 [#Gu?L_W %po;ih$jr* 3.6激光器的输出功率 sfw* _}y $poIWJM c 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 ciml:"nQ .$ x}~Sw 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 !]g[u3O l:e C+[_;> 3.7激光器的线宽极限 *v K~t|z lV^:2I/ 3.8激光光束质量的品质因子M2 6c-'CW
XA;PWl5! 3.9模式激光的某些一阶统计性质 dO1 m uchQv]VB 3.9.1单模激光的一阶统计性质 (n?f016*%d ]oSx]R>{f 3.9.2多模激光的一阶统计性质 H@wjZ;R {-m e;ayk 思考练习题3 zN KB'hsK T$2A2gb ` 第4章激光的基本技术 DGCvH)Q 5!Y \STn 4.1激光器输出的选模 dazML|1ow 9ETdO,L)f 4.1.1激光单纵模的选取 h'h 8Mm `V V >AA5 4.1.2激光单横模的选取 J9 NuqV3 v+Y^mV`| 4.2激光器的稳频 NwYQ6VEA
oz{X"jfu 4.2.1影响频率稳定的因素 Z'k?lkB2i Y1sK sdV 4.2.2稳频方法概述 }DjVZ48 ,=Wj*S)~ 4.2.3兰姆凹陷法稳频 J0R{|]W8 .Er +*j;&w 4.2.4饱和吸收法稳频 FN!?o:|( l }^ziY! 4.3激光束的变换 ;k#_/c PZV>A!7C8n 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 fmv:vs /9 k n>qX{W 4.3.2高斯光束的聚焦 DIQ30(MS 1=IOio4U 4.3.3高斯光束的准直 |iBf6smF L7rr/D 4.3.4激光的扩束 dba_(I ~y ATc!c + 4.4激光调制技术 x<!]#**; .{8[o[w
= 4.4.1激光调制的基本概念 ^C^I UYZ C% $5x 4.4.2电光强度调制 jsgDJ} _7:Bxx4B 4.4.3电光相位调制 %4x0^<k~ ~YW;' 4.5激光偏转技术 h+H+>,N8` a6z0p%sIZ 4.5.1机械偏转 Z P|k3
|*zgX]-+ ; 4.5.2电光偏转 RF2I_4 '*Dp2Y {7 4.5.3声光偏转 Fng ke W7pN? 4.6激光调Q技术 ]-#/wC[$l= sXPva@8_ 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q lj&\F|-i |;Jt *
_ 4.6.2调Q原理 Q/Z>w+zh# W!X Buk- 4.6.3电光调Q qrw*?6mSQ ; t9_*)[ 4.6.4声光调Q Px?"5g#+ >+i +_^] 4.6.5染料调Q K9& Q@ 3V +[n#{;]< 4.7激光锁模技术 X qm ?@JN E x_dqko 4.7.1锁模原理 'M? ptu?f 'NjeF 4.7.2主动锁模 5GJkvZtFY l >
H'PP~ 4.7.3被动锁模 j&S.k *HV_$^)= 思考练习题4 &*O'qOO<2 M9Sj@ ww 第5章典型激光器介绍 mz<,nR\ 8_`C&vx 5.1固体激光器 qu $FpOJ
zD8$DG8 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 N,9~J"z 45%D^~2~F 5.1.2固体激光器的泵浦系统 INk|NEX fYZd:3VdC 5.1.3固体激光器的输出特性 DU*q hW`X yNwSiZE X 5.1.4新型固体激光器 CcV@YST? q%A>q ;l: 5.2气体激光器 ~qL/P 5*+ -3d`e2 ^&} 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 <Mo{o2F= k:j?8o3 5.2.2二氧化碳激光器 DTi^* Wj 5HbJE' 5.2.3Ar＋离子激光器 DrBkR` a? *& _A4) 5.3染料激光器 D2 o|.e<r {s6#h #U 5.3.1染料激光器的激发机理 u0? TMy.% %O[1yZh
\ 5.3.2染料激光器的泵浦 dn 42'(p@G Q-G8Fo%#,E 5.3.3染料激光器的调谐 2|RxowXZ" Eoo[H2=^H 5.4半导体激光器 q]!FFi{w; 5mudww` 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 _m
a;b<I/< K!>3`[:I" 5.4.2PN结和粒子数反转 ++8 Xi1 8QK u 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 m\
qR myO f<<$!]\ 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 ~_ovQ4@ kwS[ ,Qy\ 5.5其他激光器 3|3 ad' hOIg 7=v 5.5.1准分子激光器 =q"0GUei3 Fo
,8"m 5.5.2自由电子激光器 <0l:B ;3 v )2yR~J 5.5.3化学激光器 \0qFOjVj vj#m#1\ f 思考练习题5 = K`]cEL Fgh an.F 第6章激光在精密测量中的应用 G[zy sxd xA n|OSe 6.1激光干涉测长 %md9ou` _\,4h2( 6.1.1干涉测长的基本原理 kAx J#RG [c=![ *}/ 6.1.2激光干涉测长系统的组成 FY+@fy IL*MB;0> 6.1.3激光外差干涉测长技术 9/#b1NGv >Bm>/%2 6.1.4激光干涉测长应用举例 wmP[\^c%$j zrtbk~v8y 6.2激光衍射测量 Ut2x4$9 ]@}@G[e#[ 6.2.1激光衍射测量原理 ~ :B/`1[m &Fmen;( 6.2.2激光衍射测量的方法 f,@~@f
X `soQp2h- 6.2.3激光衍射测量的应用 $VxuaOTyVZ G%%F6)W 6.3激光测距 oJ=u
pnBn- ^M1O ) 6.3.1激光脉冲测距 UyNP:q: % <%r 6.3.2激光相位测距 W;,RU8\f B=%YD"FAv 6.4激光准直及多自由度测量 >4T7D My :{xu_"nYr 6.4.1激光准直仪 <S@2% %W pl 1CEoe 6.4.2激光衍射准直仪 z` 8>$9 JQ\o[ t 6.4.3激光多自由度测量 _p+q)#.W 23zR0z (L 6.5激光多普勒测速 :\1vy5 _ DsiyN:o'+ 6.5.1运动微粒散射光的频率 J \I`# &G+:t)|S 6.5.2差频法测速 KH[Oqd E{}eYU 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 x C>>K6Nb vRO`hG H 6.6环形激光测量角度和角加速度 +$G P(Uu, DJ NM =v 6.6.1环形激光精密测角 sQY0Xys<4 ! AL? bW 6.6.2光纤陀螺 dC">AW gHU0Pr9 ' 6.7激光环境计量 m] IN-' YW- Ge 6.8激光散射板干涉仪 YccD ^w[`B C5#$NV99p 思考练习题6 }Ot2; T r P&.`m88n 第7章激光加工技术 a^9}ceu? RXbZaje$ 7.1激光热加工原理 mY]R~: _57 68G`P 7.2激光表面改性技术 &eX^ll %X Wb|-= 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 J,wpY$93 If. hA } 7.2.2激光表面熔凝技术 ]3yaIlpD1 [ Q20c <, 7.2.3激光熔覆技术 c< g{ &YJ pS)/yMlVj 7.3激光去除材料技术 q% }54E80 fYZ)5xnj 7.3.1激光打孔 & Pzr)W( ,O"zz7 7.3.2激光切割 Ha/-v?E p%y|w 7.4激光焊接 [,p[%Dza Q W}N,j$ 7.4.1激光热导焊 cH\.-5NQ =wX(a 7.4.2激光深熔焊 5?4jD]Z Z&0*\.6S~ 7.4.3激光复合焊 UPJ3YpK |< 1 7.5激光快速成型技术 '|l1-yD_ GbZqLZ0 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 HrQft1~N 2= xjg K 7.5.2激光快速成型技术 Qa=v }d-O
BDT1qiC 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 V@Fj!/ 41j x+
0\Z 7.6其他激光加工技术 *J] } bX &7t3D?K'qX 7.6.1激光清洗技术 ,XNz.+Ov
^iaG>rvA 7.6.2激光弯曲 8!{F6DG x0_ $,Tz@ 思考练习题7 pElAY3 D^9r#& 第8章激光在医学中的应用 WfE,U=e* 8yV?l7 8.1激光与生物体的相互作用 k~ZE4^dM S tJ&YYdD 8.1.1生物体的 光学特性 q}mQm' I H1
fvW
e 8.1.2激光对生物体的作用 A296 f( @e_<OU 8.1.3激光对生物体应用的优点 nv^nq]4'Dq !B &%!06 8.2激光在临床治疗中的应用
&(Ot (. &}G2;O}3 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 R3SAt-IE |+Fko8- 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 3jB5F0^r1 &k4)&LQJ 8.2.3激光在眼科中的应用 BHh%3 Q yY$:zc"J 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 y9OxPq.Cy ,KHebv ! 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 b-rgiR$cg ? |t9@r 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 t
Tky <k0$3&D 8.2.7光动力学治疗 Z&!5'_9{V P=%' 2BQ{{ 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 "
E
U[Lb 5[_|+ 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 vf+GC*f VnB"0 "%w 8.3.2激光断层摄影 M/X&zr 7]w]i5 8.3.3激光显微镜 }x^q?;7xW
nmn 8Y
V1 8.4医用激光设备 WZ a ?Xb Rs0O4.yi;@ 8.4.1医用激光 光源 ySLa4DQf 1 U|IN= 8.4.2医用激光传播用 光纤 V uqJ&U.- !vB8Pk" 8.5激光应用于医学的未来 +p:#$R)MW T(E$0a)# 8.5.1医用激光新技术 G:HPd.ay GoK[tjb 8.5.2光动力学治疗的前景 y( )7m/ vnT'.cBB:^ 思考练习题8 ]D@_cxud3 yaiw|j`A 第9章激光在信息技术中的应用 ]\ y:AkxhJ 9#CE m &c 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 }6;v`1Hr s3sAw~++ 9.1.1半导体激光器 bcp+7b(IB bF5 mCR: 9.1.2光纤激光器 s%K 9;(RWI x4&<Vr 9.1.3光放大器 xU4,R cgo '$@bTW 9.2激光全息三维显示 Q{ibH=^ WQ(*A
$ 9.2.1全息术的历史回顾 Lc< v4Bp biJ"@dm
4 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 e_Ue9c.} >}tm8|IHoo 9.2.3白光再现的全息三维显示 )*=ds , .""?k[f5Q 9.2.4计算全息图 k?%? EsR 5E|y5|8fb 9.2.5数字全息术 gr?[KD l~ 9"5J-a' 9.2.6全息三维显示的优点 FwB }@)3 %s }c #n)N 9.2.7全息三维显示的应用 &Ff#E?Y4| j:)"s_ 9.2.8全息三维显示技术的展望 5 *8 V4ca gVM&wo | 9.3激光存储技术 5C}1iZEJ 8U98`#
i 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 V&i/3g KCE5Z?k 9.3.2激光光盘存储 +HGPn0 As v1s.j2T 9.3.3激光体全息光存储 'jr\F2 {$,t^hd 9.3.4激光存储技术的新进展 sp=;i8Y 3 '&XL|_Iq 9.4激光扫描和激光打印机 \e89 >m 0+\%os V 9.4.1激光扫描 6FYO5=R ?<YQ
%qaW7 9.4.2激光打印机 `Bw>0%. 8zDLX,M- 9.5量子光通信中的激光源 `eD70h`XK &: K!$W 9.5.1量子光通信 !p&[:+qN ?AMn>v 9.5.2量子态发生器及应用 Ka EL* v}v wk8 思考练习题9 rb"J{^ M0+xl+c+ 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 (n4\$LdP- C`4 m# 10.1激光核聚变 ""0 cw X+0+ }S 10.1.1受控核聚变 Rm i4ZPb. d:j65yu 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 V 6DWYs> ]Alv5?E60 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 reBAxmt K{]9Yo 10.2激光冷却 &7K 4 tL i?{cB!7 10.3激光操纵微粒 z( 00"ei e}xx4mYo 10.3.1光捕获 J@ CKgE RgB5 '$x} 10.3.2微粒操纵 pTQ70V3 $N; N vp2 10.4超越经典衍射极限的分辨率 F
gi&CJ8Q v (|Arm? 10.4.1解析延拓 No|T#=BZ[ Xr B)[kQ 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 QPc4bg\J~t dH5 Go9`~R 10.4.3傅里叶叠层算法 ,/oqLI\ WQJnWe 10.4.4相干谱复用 {5GXN! f -z s5WaJn/ 10.4.5非相干结构光 照明成像 0*=[1tdWY 5 $58 z 10.4.6超分辨荧光显微镜 })V^t 3 IqA'Vz,lL 10.5激光光谱学 ?:sk [f6 G !G]*p5 10.5.1拉曼光谱 6Z}8"VJr { o_i N(K 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 :637MD>5lO s*g`| E{M 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 (C3:_cM 5 ;4MC/Q / 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 iImy"$yX{ V*Q!J{lj^# 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 D& dh>Pe1; >bLhCgF:" 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 eh pU`vQz GJ9'i-\*\ 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 dvW2X 6T9?C|q 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 H(QbH)S$6 1_=I\zx( 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 _spW~"|G {%&!x;% 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 q* ^m8 wni^qs.i@3 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 N 4!18{/2 4#Bzq3,| 思考练习题10 >d9b"T 5qL ;@Y 附录A随机变量 )8JfBzR 75"&"*R/*G A.1概率的定义和随机变量 ?!Wh ^su- )Y](Mj!D A.2分布函数和密度函数 B<Zm'hdX :'$V7LZ5 A.3推广到两个或多个联合随机变量 1_B;r 9x f;`7}7C A.4统计平均 r+W ;}nyf k^{}p8;3 附录B随机过程 !^x;4@Ejm W[G5+*i B.1随机过程的定义和描述 :#zVF[Y(2 8=-/0y9, B.2平稳性和遍历性 &-c{ (R|_ 6[zy 参考文献 84g8$~M X
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