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。 #Dj"W8'zh 95.qAFB1  AkYupP2]v ot|N;=ZKo 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 P 3wU#qU LP q*ZZK 1.1光的波粒二象性 Cbgj@ 4H L\/u}]dPQ 1.1.1光波 b lRY7 {f`lSu 1.1.2光子 olD@W
UB V]l&{hl, 1.2原子的能级和辐射跃迁 r.^0!(d Wphe%Of 1.2.1原子能级和简并度 YXczyZA`x ri/t(m^{W 1.2.2原子状态的标记 8 *4@-3Sx b34zhZ 1.2.3玻尔兹曼分布 io1S9a(y tx^92R2/
1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 0OleO9Ua y;,=a jrF 1.3光的受激辐射 MxM]( ew~7 VqcBwJ!?p 1.3.1黑体热辐射 ~/^y.Ss WM gIV3n#-{L 1.3.2光和物质的作用 ~v.jZ/h 4mEzcwo' 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 07.nq;/R :wQC_; 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 . o-0aBG X4d Xm>*?= 1.4光谱线增宽 Nc
G ,0K AC 9{*K[ 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 fC=fJZU7$ x1|Da$2 1.4.2自然增宽 S hC_hi 7MKD_`g 1.4.3碰撞增宽 6?53q e ^c/mj9M#C 1.4.4多普勒增宽 T$: >* f Ub1/-} 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 Wr] O "sFW ~Y 1.4.6综合增宽 oUl=l}qnD .i
MnWW 1.5激光形成的条件 "V: ^ H'hD 1.5.1介质中光的受激辐射放大 ^{),+S @)9REA(U 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 5gO /-Zj JzHqNUn*M 思考练习题1 I )[`ZVAXR KjO-0VMN3 第2章激光器的工作原理 ^Ku\l #B
[<_"`$sm= 2.1光学谐振腔结构与稳定性 u8 |@|t U'rr?,RML 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 \eEds:Hg )J;ny!^2 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 _GE=kw;: ?lF mXZy` 2.1.3稳定图的应用 pNP_f:A| $kD7y5 2.2速率方程组与粒子数反转 f_oq1 W)9 YKc>6)j 2.2.1三能级系统和四能级系统 nHrP>zN 1#/6r : 2.2.2速率方程组 Po1hq2-U8 9X!ET! 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 9~=gw P I4rV5;f
H4 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 `tX@8| aD+0\I[x 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 # >BX/O*D DG3[^B 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 I"B8_ s\6N }[s 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 p=2 zS. I=U+GY: 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 8B j4 _!g kzMa+(fu 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 4 ^4d9?c 7LG+$LEz 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 9e]'OKL+ zkd3Z$Ce 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 r)Or\HL <]~ZPk[ 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 ;8BA~ ,4l Hc M~ 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 &D]&UQf ' m[6v} 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 F#B5sLNb `{DG;J03[ 2.5激光器的损耗与阈值条件 .x EJaID\N ) 9MrdVNv 2.5.1激光器的损耗 ,6DD=w 0r >'N!dM.+9 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 s_xV-C# q@ y86)) 2.5.3阈值条件 \<X2ns@Tf !5&%\NSv 2.5.4对介质能级选取的讨论 EA6t36|TX -] /7hN*v 思考练习题2 w(Gz({l+ @ ^'$r&M 第3章激光器的输出特性 ALfiR(! MA$Xv`6I\ 3.1光学谐振腔的衍射理论 `os8;`G BY$[ g13 3.1.1数学预备知识 5Q|sta! _PV*lK= 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 La9r n08;
< 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 D;jK/2 sX iv, 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 l0Y?v 4 1+a@k 3.2对称共焦腔内外的光场分布 Ew]<jF|.# q4k.f_{ 3.2.1共焦腔镜面上的场分布
J,(7.+`~# }a ^|L"
3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 5KJ%]B(H2 B Ra{\R^I 3.3高斯光束的传播特性 h8j B=e, H 'y.JcS!| 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 %l]Rh/VPn? > fH*XP>( 3.3.2高斯光束的相位分布 LQqfi
~ doM?8C#` 3.3.3高斯光束的远场发散角 @ (>XOj?+ &wjB{ % 3.3.4高斯光束的高亮度 [x5mPjgw ;%Q&hwj 3.4稳定球面腔的光束传播特性 f?^S bp w.uK?A>W, 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 4sIX O csDQva\ 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 `eC+% O 036[96t,F 3.5其他几种常用的激光光束 '_ 0 \(fq8AL? 3.5.1厄米-高斯光束 Yb 6q ))Y Ak A!:!l 3.5.2拉盖尔-高斯光束 S y _*E!gPO 3.5.3贝塞尔光束 iP#=:HZu; ezn`
_x_? 3.6激光器的输出功率 ) 7Ixz1I9g %i"}x/CD[ 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 #wjH4DT Ly>OLI0x_ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 |dk[cX> ")%r}:0 3.7激光器的线宽极限 7@l<?
( pj;
I)-d/ 3.8激光光束质量的品质因子M2 k. GA8=]> x8\<qh*: 3.9模式激光的某些一阶统计性质 rwgsXS8W6 wa ky<w, 3.9.1单模激光的一阶统计性质 <lj\#'G3 Pl78fs"L@ 3.9.2多模激光的一阶统计性质 ~O03Sit- -DCa
思考练习题3
RJ}#) cT d!V$Y}n 第4章激光的基本技术 /oL8;:m =~ jA oOC@ 4.1激光器输出的选模 ,2,5Odrz c AEok P 4.1.1激光单纵模的选取 URw 5U1 BJ5}GX! 4.1.2激光单横模的选取 ;Z 9IZ~ _ kN*e:t 4.2激光器的稳频 S_\
F -5k2j^r; 4.2.1影响频率稳定的因素 hO( RZ '{ ]tY:,Mfs 4.2.2稳频方法概述 c 1%rV`)] A,#2 ^dR 4.2.3兰姆凹陷法稳频 }ZzLs/v%X c-8!#~M( 4.2.4饱和吸收法稳频 @cv{rr RH[ +1z8 4.3激光束的变换 2"&)W dm f*fE}; 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 Cq\I''~8 !p [`IWZ 4.3.2高斯光束的聚焦
>|*yh~ W^3;F1 4.3.3高斯光束的准直 ][7p+IsB e:-8k_0| 4.3.4激光的扩束 e;ty !)] T3 pdx~66 4.4激光调制技术 DC:)Ysuj }V`mp 4.4.1激光调制的基本概念 ]'h; {;ug VKW|kU7Cs$ 4.4.2电光强度调制 >oJkJ$|wU FxRXPt
FK 4.4.3电光相位调制 ax|1b`XUr" Y*LaBxt Q 4.5激光偏转技术 qf8[!5GM #YK5WTn5 4.5.1机械偏转 ~?U*6P)o I1"MPx{ 4.5.2电光偏转 UVEz;<5@\ g^~Kze 4.5.3声光偏转 uaw < W?Xiz TW 4.6激光调Q技术 [j9E pi( '2nqHX
D 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q Q8qz*v]{ ;[$n=VX` 4.6.2调Q原理 ^^Jnv{) %y<]Yzv. 4.6.3电光调Q ..<3%fL3 :}q\tNY< 4.6.4声光调Q i7Z =|& Ee2c5C!|C 4.6.5染料调Q Of[;Qn ${hz e<g 4.7激光锁模技术 Tg
?x3?kw uTvv (f 4.7.1锁模原理 ofdZ1F - u3e5gW 4.7.2主动锁模 cs Qfic LE=k 4.7.3被动锁模 %[QV,fD'E S h4w qf 思考练习题4 acW'$@y9?N _GoVx=t
第5章典型激光器介绍 7;} l\VXHm 9NpD!A&64< 5.1固体激光器 \%A%s*1 .dmi #%W 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 D'[Uc6 Ufid%T' 5.1.2固体激光器的泵浦系统 NgZUnh3{ /Cr/RG:OX 5.1.3固体激光器的输出特性 s8gU7pT49 'm M jjG9 5.1.4新型固体激光器 (ywo
a 6][1 <}8 5.2气体激光器 x"4%(xBu 5 #JJ? 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 y 'M#z_.z >cR)?P/ o 5.2.2二氧化碳激光器 ,?-\
x6 |M~ON= 5.2.3Ar＋离子激光器 2#5,MP ~r IB5BO7J 5.3染料激光器 9.+/~$Ht
%{ 5n1w 5.3.1染料激光器的激发机理 I9y.e++/ /Z%>ArAx 5.3.2染料激光器的泵浦 F?4 (5 K {G i h& N 5.3.3染料激光器的调谐 $#NQ <3 \gO,hST 5.4半导体激光器 R MXzU }IkQA#4$ 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件
*~VxC{ 9I Zu$- 5.4.2PN结和粒子数反转 ,/Cq
v ]$iN#d|ZU 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 h
y-cG% f LXfCmc9|Z 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 { 1lO ~oD8Rnf 5.5其他激光器 )@ g;j> ` $5UHa2/ 5.5.1准分子激光器 f@V3\Z/6E G*8GGWB^a 5.5.2自由电子激光器 ~P f5ORoe ": ;@Hnb/ 5.5.3化学激光器 HK=[U9 o? A}VYb:u/ 思考练习题5 hkL5HzWn $ 17
su') 第6章激光在精密测量中的应用 pw020}` M: SO2Czz 6.1激光干涉测长 V M=+afY5M #;tT8[Ewuw 6.1.1干涉测长的基本原理 QB{rVI>mI! i8pU|VpA 6.1.2激光干涉测长系统的组成 '3(l-nPiG^ ) M<vAUF 6.1.3激光外差干涉测长技术 U]4pA#*{| rP=sG;d 6.1.4激光干涉测长应用举例 ?w&SW{ I \}]iS C.2 6.2激光衍射测量 Ka_S n |$lwkC)O 6.2.1激光衍射测量原理 aw $L$7b} tykB.2f 6.2.2激光衍射测量的方法 ZU2laqa_ '?*g%Yuz 6.2.3激光衍射测量的应用 O9h+Q\0\ W :VA.Q rKW 6.3激光测距 qCMl!g' b`mj_b 6.3.1激光脉冲测距 B5am1y{P# L;t)c 6.3.2激光相位测距 .w?
.ib( Oxx^[ju~ 6.4激光准直及多自由度测量 N+W&NlZ
U HO_Z 6.4.1激光准直仪 VV_l$E$ 9l/E jF^ 6.4.2激光衍射准直仪 vP-M,4c Pt< s* ( 6.4.3激光多自由度测量 V9 }t0$LN % g"eV4 j 6.5激光多普勒测速 6)gd^{ Z0,~ V 6.5.1运动微粒散射光的频率 LxN*)[ Wb `cB_.& 6.5.2差频法测速 xl4=++pu) BNGe
exs@ 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 <&!]K?Q9i ,K9f_bv 6.6环形激光测量角度和角加速度 _sHK*&W{CT 4g
_"ku 6.6.1环形激光精密测角 u V6g[J ,2[ra9n 6.6.2光纤陀螺 Yn51 U6_S ffDc 6*.Q 6.7激光环境计量 i^z`"3#LE !m fJpJ 6.8激光散射板干涉仪 ,\PVC@xJ Zy"=y+e!E; 思考练习题6 }k$4/7ri 0(>rG{u 第7章激光加工技术 m@xi0t e, 1u 7.1激光热加工原理 /!FWuRe^ EmVuwphv 7.2激光表面改性技术 qB6dFl\ ( HaNboYW_K 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 y7u^zH6wj x ,/TXTZ6 7.2.2激光表面熔凝技术 8s}J!/2 5rxA<G s 7.2.3激光熔覆技术 5CYo7mJ 6+ Y#V8(DTyH 7.3激光去除材料技术 B~WtZ-%%E ]L_w$ev' 7.3.1激光打孔
&wH:aD Xg<[fwW 7.3.2激光切割 VA Q)Hc] &&8'0 .M{ 7.4激光焊接 Jcf"#u-Q/ X!, @ j\L 7.4.1激光热导焊 Q'NmSX)0 FY0%XW 7.4.2激光深熔焊 4 2) mM# b}z`BRCc 7.4.3激光复合焊 (-yl|NFBw x4?10f(9= 7.5激光快速成型技术 '%iPVHK7 :>3=gex@^0 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 @|-OJ 4[5 @M;(K<%h 7.5.2激光快速成型技术 ~4 #B'Gy[ mNmUUj9z 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 * dE^-dm# lP<I|O=z 7.6其他激光加工技术 3 x *z\VJ `x 8B n" 7.6.1激光清洗技术 G$WOzY ( a=]W zlz 7.6.2激光弯曲 t 1]6(@mj5 *7gT}O;p 5 思考练习题7 )$M, Ul %uDG75KP{ 第8章激光在医学中的应用 \ {|ImCH T|4snU2M 8.1激光与生物体的相互作用 P e7e ?7 9 dDcZ!rRaL@ 8.1.1生物体的 光学特性 3}Xc 71|v sa-9$},z4 8.1.2激光对生物体的作用 0%C^8%(x t%0?N<9YkU 8.1.3激光对生物体应用的优点 V^fV7hw< S>:,z}i 8.2激光在临床治疗中的应用 0& w0a P`Y {ISE'GJj 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 eD#XDK _^!vCa7f 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 $~u.Wq 4iX-( ir, 8.2.3激光在眼科中的应用 dSK 0h(8 f?UzD#50D 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 Di(9]: + 440FhD Mj 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 7!4V >O8@ #a~"K|' G 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 pa/9F[ aq>?vti1D 8.2.7光动力学治疗 :h5J r 8 GrI& ?=S^ 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 @'jf KW CY"i-e"q<Q 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 5~VosUp e7 G?)vWM`j 8.3.2激光断层摄影 n~r 9!m$< QApyP CH 8.3.3激光显微镜 |ng%PQq) XAic9SNu; 8.4医用激光设备 \_ow9vU Wr%7~y*K 8.4.1医用激光 光源 ;)/@Xx V | ?WF& 8.4.2医用激光传播用 光纤 8C&x MA^ ohZx03 8.5激光应用于医学的未来 >M4"|W U_ % $X\" 8.5.1医用激光新技术 iD_T P
z1j|E
: 8.5.2光动力学治疗的前景 pM$ @m] 2<6j1D^jM 思考练习题8 5w3Fqu>39? *g7DPN$aQ 第9章激光在信息技术中的应用 *@M3p}', M McP.9v}H0_ 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 "kSwa16O 4F#%f#" 9.1.1半导体激光器 rxE&fjW h7W}OF_=y 9.1.2光纤激光器 tY_5Pz(@ ;h=S7M9. 9.1.3光放大器 2P}I'4C- PZOORjF8A 9.2激光全息三维显示 I,P!@ aqL<v94wX 9.2.1全息术的历史回顾 $Z6 D:"K i\x~iP&F$ 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 d6b.z P L|67f4 9.2.3白光再现的全息三维显示 zO.6WJ eE3-t/= 9.2.4计算全息图 [thboP.?
azGn P3_ 9.2.5数字全息术 "iek,Y}j7 xqWj |jA 9.2.6全息三维显示的优点 )Vk:YL++ <94WZ?{p 9.2.7全息三维显示的应用 u4"r>e6 _B U$J5r+> 9.2.8全息三维显示技术的展望 otq,R6 ^ l,bZG3,6 9.3激光存储技术 S aNN;X0 Bl4 dhBZoO 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点
`]>on`n? DTy/jaK 9.3.2激光光盘存储 js m0kz }tR'H z 2 9.3.3激光体全息光存储 n-O Wwev) d}% (jJ(I 9.3.4激光存储技术的新进展 7^wE$7hS <!!nI%NC 9.4激光扫描和激光打印机 z93nYY$`Y 7A0dl }: 9.4.1激光扫描 dq1TRFu 6/7F">@j 9.4.2激光打印机 -tP.S1D %!wq:~B1 9.5量子光通信中的激光源 $rB!Ex{@ac t |=n1\=? 9.5.1量子光通信 a7 )@BzF#
FV8\ +ep 9.5.2量子态发生器及应用 MPG+B/P& ZgBckb 思考练习题9 s01$fFJgO m3"c (L`B 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 'Fx YMSZS$ yk#rd~2Z0 10.1激光核聚变 8bGD L8D m9} 10.1.1受控核聚变 S)Mby X|)Il8 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 l #y gb|=x k(9s+0qe 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 >3$uu+p1F ~Jxlj(" 0( 10.2激光冷却
P2QRvn6v S5/p=H : 10.3激光操纵微粒 H<z30r/-w Gl"wEL* 10.3.1光捕获 X&,N}9>B f~iML5lG 10.3.2微粒操纵 2;}xN! 8 ZmP1 C`> 10.4超越经典衍射极限的分辨率 v C-[#]< V^WQ6G1 10.4.1解析延拓 l3\9S#3-^ Ks51:M 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 `>y[wa>9r #4l HaFq 10.4.3傅里叶叠层算法 2X^iV09 6ku8`W yoF 10.4.4相干谱复用 )2toL5 Q _rG-#BKW8L 10.4.5非相干结构光 照明成像 P 4H*j y@? W QTendS 10.4.6超分辨荧光显微镜 A` =]RJ b sMC#xT 10.5激光光谱学 nE^wxtY Ho >p ^p 10.5.1拉曼光谱 ~6MMErSj ~{9 x6<g! 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 6\XP|n-0+0 37~r m 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 7Z
VVR*n| )v} ;C< 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 v(a9#bMZU L2k;f] 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 Dn: Yi8= VBhE{4J 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 LuLy6]6D; D`8E-Bq 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 -5o?#% #qPV Qt 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 RlPjki"Mg ~;TV74~rr 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 ]}5`7 W;5N04ko 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 Bk @bN~B4 rknzo]N, 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 BzN/6VEw h!Z Z2[ 思考练习题10 7jhl0 F= :F>6` 附录A随机变量 gq =0L: Z V0)
."^Z A.1概率的定义和随机变量 [;)~nPjI }'%$7vL`Ft A.2分布函数和密度函数 Qh /lT$g :m)c[q8 A.3推广到两个或多个联合随机变量 X5|?/aR} K,Lr + A.4统计平均 :p,c%" 8 wHq('+{=&
附录B随机过程 qdKh6{ 4U_rB9K$ B.1随机过程的定义和描述 \XZU'JIO
5L/Yi B.2平稳性和遍历性 |L*6x
S[ c>M_?::)0 参考文献 C,V|TF.i2
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