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。 !" s~dL,7 3AcCa> 9
M!U@> Z
lR2 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 LseS8F/q v|GDPq 1.1光的波粒二象性 cnR18NK lJdwbuB6 1.1.1光波 ^8{:RiN6e~ ;Ff5ooL{ 1.1.2光子 qTrb)95 -"/l)1ox, 1.2原子的能级和辐射跃迁 qExmf%q:q `U y4> ? 1.2.1原子能级和简并度 4<q'QU#l< MznMt2-u 1.2.2原子状态的标记 UCI !>G 3#~w#Q0% 1.2.3玻尔兹曼分布 0)E`6s#M t[H A86X 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 S|/Za".Gr oh.8WlI 1.3光的受激辐射 qL/XGIxL? ),& tF_z: 1.3.1黑体热辐射 OE5JA8/H ?/FCq6o 1.3.2光和物质的作用 GCv*a[8?n $ pfN0/`( 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 b";D*\=x V8+8?5'l 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 dc%0~Nz QRAw# 1.4光谱线增宽 Is#w=s}2 *k<{ nj@y 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 ~WX40z yv t
:/X 1.4.2自然增宽 }e4#Mx tP0!TkTo9 1.4.3碰撞增宽 {B)-+0 6 6*% E4#4 1.4.4多普勒增宽 =`fz#Mfd @;g|styh^ 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 VZEDBZ x* |!\5nix3A> 1.4.6综合增宽 H3S fz' P=PVOt@
b 1.5激光形成的条件 RAi]9` *7 ,c.(&@ 1.5.1介质中光的受激辐射放大 $x|4cW2 HG:9yP<,o 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 K %Qj<{) I>(-&YbC 思考练习题1 y-k]Tr 5#hsy;q;[ 第2章激光器的工作原理 .jvRUD8A7 3v@Y"I3; 2.1光学谐振腔结构与稳定性 y -=YX qj L6IF0`M<,I 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 /Lt Lu C .{`-RO 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 x>*#cOVz;C Ct\n1T } 2.1.3稳定图的应用 E6_.Q `!ll c/ s$*" 2.2速率方程组与粒子数反转 02 6 |u|R _1U7@v:<@ 2.2.1三能级系统和四能级系统 bZ_vb? n J~(M%]
&k^ 2.2.2速率方程组 {*Tnl-m~ |8 s45g> 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 &H IG776 jO +#$=C 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 q:X&)f %MUh_63bB 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 6gN>P%n /FW{>N1 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 Q~S3d <Q|(dFr`v 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 ?VP07
dQTe F` "bMS 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 V1!;Hvm]+ aK4ZH}XHE" 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 NAt; r O0cKmh6 = 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 [ |E|(@J $S_G:}tna 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 jo ^ + dlB?/J< 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 cs6I
K6wo Y~C;M6(P 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 pJ ;4rrSK
MT UJsH\ 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 :3$-Qv X W\l"_^d*
2.5激光器的损耗与阈值条件 NP< {WL# HMrl!;: 2.5.1激光器的损耗 %jRqrICd t! JD]j>q 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 +PGtO9}B 3D*vNVI 2.5.3阈值条件 c"x-_Uk P@pJ^5Jf 2.5.4对介质能级选取的讨论 .X)TRD #MW - BE.a< 思考练习题2 Rd^X . F3
z:|sTqc 第3章激光器的输出特性 p? qW;1 0b~ { l; 3.1光学谐振腔的衍射理论 2\, h "W( EXD Qr'" 3.1.1数学预备知识 Y,;$RV@g ]f< H? 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 TU(w>v [>y 0Xf9^ 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 NiPa-yR h Pe<}kS
m 4 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 ^g eC?m sn6:\X<[ 3.2对称共焦腔内外的光场分布 0z1UF{{ $b=4_UroS 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 *4oj ' } vE=)qn= a 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 [sF
z ;Py] ^N`bA8 3.3高斯光束的传播特性 5Dv ;-G; h..D1(M 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 X5`#d a rs?"pGz; 3.3.2高斯光束的相位分布 1y)|m63& 2&Hn%q) 3.3.3高斯光束的远场发散角 1P1"xT 5l
ioL) 3.3.4高斯光束的高亮度 eO?.8OM-a 5^W},:3R 3.4稳定球面腔的光束传播特性 0 >KW94 JE$aYs<(TF 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 q;{# ~<"+ EX.`6,:+ 2 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 /y~ "n4CK~ 1tMs\e- 3.5其他几种常用的激光光束 *#n?6KqZ XKEd~2h<y 3.5.1厄米-高斯光束 ~ d!F|BH4 },@1i<Bb 3.5.2拉盖尔-高斯光束 Nrr nG]#p1 =5QP'Q t{O 3.5.3贝塞尔光束 ci~pM<+
TDtS^(2A7K 3.6激光器的输出功率 N-g=_86C" q\f Z Q 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 " \]N OA* !L)~*!+Gf 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 j(*ZPo>oD 1aQR9zg% 3.7激光器的线宽极限 | ]DJz }#3'72 3.8激光光束质量的品质因子M2 S3oSc<&2 wx,yx3c ( 3.9模式激光的某些一阶统计性质 G?t <4MT v }%;o#!<N(@ 3.9.1单模激光的一阶统计性质 tAM t7p- ",hPy[k 3.9.2多模激光的一阶统计性质 MI,b`pQ `- \J/I 思考练习题3 NLz[ F`I 9
Z 5!3 第4章激光的基本技术 #_b
U/rk)* S1B^FLe7X 4.1激光器输出的选模 s$,gM,|cK <+tSTc4>r 4.1.1激光单纵模的选取 5/ee&sJR ,+gU^dc|hq 4.1.2激光单横模的选取 Tf bB1 /7)l 22< 4.2激光器的稳频 ( pl|RmmDz /2n-q_ 4.2.1影响频率稳定的因素 0E5"}8 #9 a\Ab 4.2.2稳频方法概述 H:d@@ / &`RD5uml 4.2.3兰姆凹陷法稳频 @We im7r 007(k"=oV 4.2.4饱和吸收法稳频 p:GB"e9>H %ZajM 4.3激光束的变换 m4< 5jC`-M 7l%]/`Y- 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 x2m*0D~ W@vt6v 4.3.2高斯光束的聚焦 ID#p5`3n f[AN=M"B"s 4.3.3高斯光束的准直 L>&o_bzp ;_HG
5}i 4.3.4激光的扩束 / : YM{,] <yw6Om:n< 4.4激光调制技术 4DYa~ =w R0l5"l*@+ 4.4.1激光调制的基本概念 xn fMx$fD t 8}R?%u 4.4.2电光强度调制 UcHe"mn
us ,!U 4.4.3电光相位调制 mO6rj=L^ /{[Y l[{"< 4.5激光偏转技术 3u)NkS= [%);N\o2Y 4.5.1机械偏转 *Va ;ra(V2 > ;$C@ 4.5.2电光偏转 k"kGQk4 x?aNK$A~X 4.5.3声光偏转 JBYmy_Su /f5*KRM 4.6激光调Q技术 &$1ifG . paA0j 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q <? Z [X{ Z8 X=Md8= 4.6.2调Q原理 Aa.eu=@I 8zMt&5jD 4.6.3电光调Q >o]!-46 l8XgzaW 4.6.4声光调Q mM[!g'* kK0.j)( 4.6.5染料调Q 1&,d,< EDl*UG83G 4.7激光锁模技术 T uk::
.jD K-a~Kr 4.7.1锁模原理 9_h
V1: K~C6dy
4.7.2主动锁模 StuQ} a7]wPXKq 4.7.3被动锁模 d;4LHQ0yU >{v,H Oxl 思考练习题4 " "; Bq*Y# d7 f {2 第5章典型激光器介绍 rT&rv^>f ag_RKlM3 5.1固体激光器 t-gLh(-. 69 > - 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 hR g?H V!{}%;f 5.1.2固体激光器的泵浦系统 ccdP}|9e s U|\? pJ 5.1.3固体激光器的输出特性 =ObI a_GnN\kX^Z 5.1.4新型固体激光器 i40'U?eG~6 3tt3 :`g 5.2气体激光器 <-]qU}- Az`c ?
W% 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 ]T?Py) y[C++Q 5.2.2二氧化碳激光器 yx@%x?B uZg[PS=@!X 5.2.3Ar＋离子激光器 dr[sSBTY" Jp d|<\Ml 5.3染料激光器 U 5iyvU=UG tbH` VD"u 5.3.1染料激光器的激发机理 , Vc>'4E- v7h!'U[/ 5.3.2染料激光器的泵浦 6XFLWN-) 9sgyg3fv>5 5.3.3染料激光器的调谐 M zRliH8e R [[
#r5q 5.4半导体激光器 TI<?h(*R_ G0izZW c 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 ev{;}2~V t)i{=8 rq 5.4.2PN结和粒子数反转
4 GN >, 9R :X( 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 _<8~CWo: Qvx[F:#Tk 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 UqA <rW DO^ J=e 5.5其他激光器 [Zpx
:r} pnpx`u; 5.5.1准分子激光器 B1U<m=Y EL$"/ptE 5.5.2自由电子激光器 }Z,x F` J-k/#A4o 5.5.3化学激光器 rP7[{'%r . XVW2ISv 思考练习题5 +NT8dd )&") J}@ 第6章激光在精密测量中的应用 na4^>:r ~ j1141md 5 6.1激光干涉测长 Sc/\g SZ&I4- 6.1.1干涉测长的基本原理 TOx >Z Jqp;8DV} 6.1.2激光干涉测长系统的组成 0XWhSrHM n$u@v(I 6.1.3激光外差干涉测长技术 ]Uu :t qk
*b,`; 6.1.4激光干涉测长应用举例 * q$O6B- !!\x]$v 6.2激光衍射测量 SqosJ }K ZYexW=@ 6.2.1激光衍射测量原理 u(Kof'p7 "T4buTXJ 6.2.2激光衍射测量的方法 O!U8"Yr$ e a3f `z 6.2.3激光衍射测量的应用 n([ 9U0!gu !LX) 6.3激光测距 t8?$q})RL }I 3m 8A 6.3.1激光脉冲测距 q(9S4F xo.k :F 6.3.2激光相位测距 [a[.tR38e ?lPyapA] 6.4激光准直及多自由度测量 =A]*r9 8-u #<D . 6.4.1激光准直仪 k
E},>+W+ 6g-Q 6.4.2激光衍射准直仪 Rh :|ij>B !x $6wzKa 6.4.3激光多自由度测量 >|1$Pv? 8fSY@ 6.5激光多普勒测速 [q!/YL3 % "sU jJ| 6.5.1运动微粒散射光的频率 L']"I^( N @j`gx M_-O 6.5.2差频法测速 oB$c-!& F.cKg~E|e 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 Z4s+8cTHn i1 >oRT{Z
6.6环形激光测量角度和角加速度 4G3u8)b= xS+!/pBf"Y 6.6.1环形激光精密测角 ;@FCa j& |*%i]@ V= 6.6.2光纤陀螺 ( &!RX.i x+8%4]u` 6.7激光环境计量 I&wJK'GM` {%+UQ!]d8 6.8激光散射板干涉仪 NA!?.zn `V2doV) 思考练习题6 !!+LFe4su zhgvqg- 第7章激光加工技术 X6Q\NJ"B P}=U
#AV4 7.1激光热加工原理 \#!B*:u mfx-Ja_a 7.2激光表面改性技术 cb5T-'hY
.x'?&7#( 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 _A~>?gJ;, O<P(UT" 7.2.2激光表面熔凝技术 _ -|+k "SA* 7.2.3激光熔覆技术 U8a5rF> < G Ml JM 7.3激光去除材料技术 #+ Y%Bxf Gzc`5n{" 7.3.1激光打孔 &)izh) FA <8ih >s(C 7.3.2激光切割 ENy$sS6[D vc C" 7.4激光焊接 fb[? sc F<4>g+Ag 7.4.1激光热导焊 Jb6)U] rV
fZ_\| 7.4.2激光深熔焊 u&Yd+'); .#}A/V.-Y 7.4.3激光复合焊 .sSbU^U ?=,7'@e 7.5激光快速成型技术 ~NTKWRaR YQ>O6:% 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ^fj30gw7\5 AO,^v+ $ 7.5.2激光快速成型技术 d*dPi^JjC #y
f 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 eExI3"| Q /*(&Dmt> 7.6其他激光加工技术 N , ,[V
x~ID[ 7.6.1激光清洗技术 u
s 8.nL/ u{ cb[M 7.6.2激光弯曲 n?QglN >*EJ6FPO 思考练习题7 (6i4N2 =@D H hg 第8章激光在医学中的应用 b!qlucA eE `{NbMc\
] 8.1激光与生物体的相互作用 (
6ucA
i (`Q{l 8.1.1生物体的 光学特性 C@g/{?\ R[l~E![!j 8.1.2激光对生物体的作用 x *a _43` n72 kJ3u. 8.1.3激光对生物体应用的优点 t$b5,"G1 -b)3+#f 8.2激光在临床治疗中的应用 s@p:XO !AG oI7W} 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 +F~B"a l=L( pS3 ~ 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 o1k+dJUd ,ZVhL* " 8.2.3激光在眼科中的应用 OVE?;x>n/1 =
toU?: . 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 lQv (5hIm ,hZ?]P& 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 ]TN/n%\ o*3\xg 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 yH9&HFDp $wbIe"| 8.2.7光动力学治疗 5lyHg{iqD wRZS+^hx 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 >vXS6`; .EC~o 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 q. j$]?PQ L\R(//V 8.3.2激光断层摄影 j=c< Lo` >*\yEH9" 8.3.3激光显微镜 mC3:P5/c D~ M* ]& 8.4医用激光设备 f ~bgZ h
gu\~}kD 8.4.1医用激光 光源 RY1-Zjlb< S4r m K& 8.4.2医用激光传播用 光纤 J ~KygQ3% pktn X-Slt 8.5激光应用于医学的未来 ZZYtaVF: ( hh^? 8.5.1医用激光新技术 +??pej]Rp %/BBl$~ji 8.5.2光动力学治疗的前景 g`~;"%u7cn b}*q*Bq 思考练习题8 <sX_hIA^Fx sXtt$HID= 第9章激光在信息技术中的应用 TmK8z Gyrc~m[$ 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 MHGaf`7ro S waMpNXL 9.1.1半导体激光器 ; , 7m Lhrlz,1 9.1.2光纤激光器 Ocz21gl-?` nU 0## 9.1.3光放大器 MO|Pv j~[ r%>EiHpCU 9.2激光全息三维显示 N`qGwNT%G PZ#aq~>w 9.2.1全息术的历史回顾 U[:=7UABU? d[*NDMO 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 L">m2/ HG zy. v[Y1 ! 9.2.3白光再现的全息三维显示 Q.\vN-(
~M1 T
@Mv 9.2.4计算全息图 KuEM~Q= Z_7TD) 9.2.5数字全息术 9$} > O] #WGy Q u 9.2.6全息三维显示的优点 a&dP@) /||8j.Tm 9.2.7全息三维显示的应用 6Wo Ff w M#l`I 9.2.8全息三维显示技术的展望 Ns#L9T# ymT]ow6C 9.3激光存储技术 }=.C~f]A db}lN 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 L `fT;2 Zu>CR_C 9.3.2激光光盘存储 [4@@b"H 07:h4beT 9.3.3激光体全息光存储 3$BO=hI/- 4VkJtu5 9.3.4激光存储技术的新进展 {7q8@`Oa )}vUYTU1 9.4激光扫描和激光打印机 ju4wU; Nu 6Q&i=!fQ 9.4.1激光扫描 4{b/Nv :b pK'D( t 9.4.2激光打印机 zm4e+v- t+j dV 9.5量子光通信中的激光源 3E>]6 Tz7 R:S. 9.5.1量子光通信 ,S~A]uH' ?ZkVk =t? 9.5.2量子态发生器及应用 w;J #+ik 'C;K Nc 思考练习题9 -qLNs_
_k %WYveY 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 6'e 'UD Q qcAmp 10.1激光核聚变 `qZ@eGZ
z 'lgS) m 10.1.1受控核聚变
Bm a.Uln 6^FUuj. 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 "L9pFz</ 9Z3Vf[n5\ 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 SL<EZn0F9 =S\pI 10.2激光冷却 Hq,N OP ? :F Jc[J 10.3激光操纵微粒 0.1?hb|p5T '%a:L^a? 10.3.1光捕获 1z@ ncqe 0f;|0siTAm 10.3.2微粒操纵 SW Hi iF@ :K!L-*>A9 10.4超越经典衍射极限的分辨率 T'N/A9{q yPH5/5;, 10.4.1解析延拓 /EL3 T t }c#W"y5l_ 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 w"
A {R PW9tZx# 10.4.3傅里叶叠层算法 ^n\g, <V# ]3$(S 10.4.4相干谱复用 vQ{mEaH kQrby\F(< 10.4.5非相干结构光 照明成像 / 6DW+! }IKU^0M9<T 10.4.6超分辨荧光显微镜 <_ 4'So> jW}hLj lN 10.5激光光谱学 [Fr <tKtB q c6d,z/ 10.5.1拉曼光谱 GEki34
n0 BqOMg$<\[ 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 2JHV*/Q [kI[qByf
10.5.3频率高分辨的双光子光谱 a% wa3N=v lK#uya g 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 }/7rA)_ o7yvXrpG(U 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 `L. nj6F ")W5`9 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 D]K?ntS[* <ol? 9tm 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 DW U(ld:_ :n oZ
p: a 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 ~J OC8dO No]#RvEd3 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 zB qNE` E |=]k 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 gq+#=!(2 ( z%OK[ 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 gy/bA EOf*1/Ih 思考练习题10 t;lK=m| \~""<*Hz 附录A随机变量 H(Ad"1~.# 'Y>@t6E4 A.1概率的定义和随机变量 ]?hlpL b y J[1UK A.2分布函数和密度函数 RIF*9= ,S 37|EG A.3推广到两个或多个联合随机变量 A* ? Qm QQUZneIDp A.4统计平均 <rNz&;m} #M:Vwn
JX 附录B随机过程 } M9I]\ sH Hu<[psM B.1随机过程的定义和描述 r6}-EYq= u:\DqdlU` B.2平稳性和遍历性 *G M.2``e }/F9(m 参考文献 v$R7" tnw6[U!rh=  +\MGlsMK@. p 4l B# （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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