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。 Ptz## o'{5 #f [} a  f8
BZk h v,C~5J3h) 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 Sn
S$5o o%bf7)~s 1.1光的波粒二象性 &~Pk*A_: k#bG&BF 1.1.1光波 <UF0Xc&X' X p] jF^5 1.1.2光子 nY7gST QC hncIqc 1.2原子的能级和辐射跃迁 Esu {c9, ta6>St7. 1.2.1原子能级和简并度 jST4O"DjM eT Fe p^[ 1.2.2原子状态的标记 O6/:J#X% R# T
6] 1.2.3玻尔兹曼分布 2}=@n*8*d Lb)rloca 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 > 23$_'2 *Y?oAVkz 1.3光的受激辐射 &r.M~k
> J%-4ZB" 1.3.1黑体热辐射 ?JG^GD7D p^|6 / b 1.3.2光和物质的作用 IMr#5 PtYG%/s 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 Y)DA R83 Pz34a@%" 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 O /|))H?C AT)b/ycC 1.4光谱线增宽 jz`3xFy *] I?S t} Tl 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 k_{?{:X;y 67hfv e 1.4.2自然增宽 ^*i0~_ Q5ff&CE 1.4.3碰撞增宽 MT"&|Og 5[g\.yi2_] 1.4.4多普勒增宽 pmUf*u- od {\z 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 &&m3E=K!^ e@qH!.g) 1.4.6综合增宽 ' B{FRK ]iGeqwT 1.5激光形成的条件 E_En"r)y `<yQ`Y_X 1.5.1介质中光的受激辐射放大 gs;^SRE I t/ Y0e#9, 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 ,%
Qh S5e &oMWs]0 思考练习题1 [nZIV :IU7dpwDl 第2章激光器的工作原理 !b7"K| }04mJY[ 2.1光学谐振腔结构与稳定性 BO#tn{(# vu e^bn 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 aUzCKX%>C Lj(cCtb) 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 m)} 0 1N4 n jf\f w_ 2.1.3稳定图的应用 9M;t4Um =V]0G,,\ 2.2速率方程组与粒子数反转 n
Syq}Y3 >9rZV NMU 2.2.1三能级系统和四能级系统 IC&P-X_aP A
$gn{ c 2.2.2速率方程组 8k95IJR1 -z~!%4 a 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 sa4w.9O1GS >P:X\5Oj 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 R__:~ uv, Mn(i Asg 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 O`c50yY itP`{[ 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 Cl`i|cF\ H:]cBk^[, 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 29,ET}~ >P SO]%mE 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 zk
FX[-'O s{Y4wvQy B 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 8{!d'Pks
k[D_L` 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 u*G<? ##=$ $1Ki 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 &jHs FS R,G*]/r` 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 qU7_% Z X} v*"`@Q 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 }I&.xzJ e4YP$}_L 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 W~'xJ C~B ]@xxK) 2.5激光器的损耗与阈值条件 X`KSj
N&( tO 8\} u4c 2.5.1激光器的损耗 Gv &G2 ^ M_};J; 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 z ~pp7 FKTF?4+\U 2.5.3阈值条件 N v7-6C6< :J `@@H 2.5.4对介质能级选取的讨论 -!Myw&*\V %hsCB
.r>| 思考练习题2 e4tIO ;Z d_2CZ 第3章激光器的输出特性 b$,Hlh,^ G kjfDY: 3.1光学谐振腔的衍射理论 RW L0@\ Or5?Gt 3.1.1数学预备知识 X ha9x, I_ mus<sE 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 y ("WnVI Q?k *3A 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 Ai <
beUS =0=#M(w 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 HrBJi = ^NvUrK 3.2对称共焦腔内外的光场分布 '`P%;/z 0 N,<v7PX 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 }`B
.(3n (' 5?- 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布
vmqa_gU\ ?{S>%P A_B 3.3高斯光束的传播特性 KdR4<qVV} &u.{]Yjx 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 &:&89<C' zF q%[ X 3.3.2高斯光束的相位分布 W`;;f Je ^3$l!>me 3.3.3高斯光束的远场发散角 UphTMyn3 Jj- \Eb? 3.3.4高斯光束的高亮度 OyZR&,q uQ5h5Cfz
3.4稳定球面腔的光束传播特性 DXLXGvcM N)X Tmh2v| 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 IL].!9 >!=@TK(~ 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 UX)GA[WI =Zq6iMD 3.5其他几种常用的激光光束 |Kd#pYt% O ~rb0G*R> 3.5.1厄米-高斯光束 0^OD J7 rwF$aR>9 3.5.2拉盖尔-高斯光束 ,9P-<P SyvoN, ;Q 3.5.3贝塞尔光束 m-AF&( ;K W{}$c`,R 3.6激光器的输出功率
-t g| y F0:]@0> r 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 4[g mA D\Ak-$kJ^ 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 GcVQz[E 6 8tyWd} 3.7激光器的线宽极限 d51lTGH7Z y]j.PT`Cw 3.8激光光束质量的品质因子M2 {"ST
hTZ I=0c\ U} 3.9模式激光的某些一阶统计性质 *2/Jg'de L/8oqO| 3.9.1单模激光的一阶统计性质 }_D .Hy5 P(D>4/f3" 3.9.2多模激光的一阶统计性质 W X&IQ@ >fBPVu\PA 思考练习题3 - r\jI O_ ]Z!Y *v 第4章激光的基本技术 $Rm~ VwY# l/N<'T_G 4.1激光器输出的选模 t1']q" 7>yd 4.1.1激光单纵模的选取 A,~3o QV S#/BWNz| 4.1.2激光单横模的选取 8M5)fDu*? >]h{[kU %4 4.2激光器的稳频 )CFJ Xc: *qpu!z2m|| 4.2.1影响频率稳定的因素 )4g_S ?l= C>Ik ; 4.2.2稳频方法概述 -<g9 ) CV5 qed _ PsI 4.2.3兰姆凹陷法稳频 fb q$:Q44 `d_T3^ayu 4.2.4饱和吸收法稳频 =3bk=vy kF| $oBQ 4.3激光束的变换 I{IB> j}8 n`5Nf 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 g257jarkMF Cd%5XD^ 4.3.2高斯光束的聚焦 F-;J N mY 1l2 4.3.3高斯光束的准直 i2qN 0?n YgEd%Z%4 4.3.4激光的扩束 +Br<; sW u 3h(EAH> 4.4激光调制技术 %KyZ15_(-L JU8}TX 4.4.1激光调制的基本概念 db )2> o]?
yyP 4.4.2电光强度调制 Q7+WV `& 7? fgcb3 4.4.3电光相位调制 wkt4vE87 | R,dsBd 4.5激光偏转技术 8 {4'G$6 RRO@r}A!y 4.5.1机械偏转 oiyvKMHz7 #aqnj+ 4.5.2电光偏转 @[^ 3y C# (
fFrX_K] 4.5.3声光偏转 Ijh RSrCv ]TrJ*~ 4.6激光调Q技术 3U6QYD55]] !WyJ@pFU^ 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q lO@-*m$
1RkN^FZOxq 4.6.2调Q原理 e{8 C0= \KV.lG! 4.6.3电光调Q kHK<~ srB 7] y3< t 4.6.4声光调Q +C=vuR lg|6~=aQ
4.6.5染料调Q i3 js'?7E z fU Do`V~ 4.7激光锁模技术 e i2?H;H; B}
qRz 4.7.1锁模原理 {A}T^q!m] 8i6i ynR 4.7.2主动锁模 3n2^;b/ ] caEIE0H~ 4.7.3被动锁模 GVT 6cR 6Emn@Mn= 思考练习题4 -n:2US< Yte*$cJ= 第5章典型激光器介绍 ,I iKe_B #7fOH
U8v 5.1固体激光器 $Y/z+ea q`AsnAzo& 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 >uCO=T,| Z{3=.z{&^= 5.1.2固体激光器的泵浦系统 _3
!s{ 8h
ol4'B 5.1.3固体激光器的输出特性 .Z 7t E? /: !sn-( 5.1.4新型固体激光器 ]`- o\,lq |TJ gH<I 5.2气体激光器 +^:uPW^U bP:u`!p
-i 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 eI|FrBq% YWPkVvI 5.2.2二氧化碳激光器 #cR5k@ tdU'cc?M 5.2.3Ar＋离子激光器 ZV Ko$q:F , wk}[MF 5.3染料激光器 a[t"J*0 1sUgjyGQ 5.3.1染料激光器的激发机理 b?k,_; \ s2sJJdN 5.3.2染料激光器的泵浦 W&A^.% 2l B{#Fm6 5.3.3染料激光器的调谐 kb-XEJ}L 8f,",NCgc 5.4半导体激光器 &*Z)[Bl >>=zkPy 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 ,9OER! $y 8U#14U5rS 5.4.2PN结和粒子数反转 }T%E;m- #E4oq9{0*W 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 <MxA;A a;i} <n7 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 o &b\bK%E 0>,i]
|Y 5.5其他激光器 &w _8E+Y Z SOD3MsAK 5.5.1准分子激光器 MO]zf3f! 0Dd8c \J 5.5.2自由电子激光器 RaiYq#X/ vSQB~Vw8 t 5.5.3化学激光器 _)CCD33$ ^b&hy&ag 思考练习题5 0l( G7Ju [CnoM N 第6章激光在精密测量中的应用 }Ej^"T:H_; 7CT446 6.1激光干涉测长 NR^Z#BU +5ql`C 6.1.1干涉测长的基本原理 N,)rrBD |$T?P*pI. 6.1.2激光干涉测长系统的组成 &WbHM)_n FN0<iL 6.1.3激光外差干涉测长技术 * @
\LS!N m7,"M~\pX 6.1.4激光干涉测长应用举例 o hPXwp?] Y
Odw d}M 6.2激光衍射测量 neWx-O .v) A|{:2 6.2.1激光衍射测量原理 e ~G IUwJ f+Bv8 g 6.2.2激光衍射测量的方法 r^d:Po ovtZHq/ 6.2.3激光衍射测量的应用 *xKY >E+ G*VcAJ [ 6.3激光测距 pr"q-S>E Oi!uJofW 6.3.1激光脉冲测距 ;>p{|^X0D H|N,n khH} 6.3.2激光相位测距 }8'bXG+ 6r5<uZ9w_X 6.4激光准直及多自由度测量 [ MM`#!K% p 6{8t} 6.4.1激光准直仪 7baQ4QY?n grCz@i 6.4.2激光衍射准直仪 x8rp Z 0o!Egq_ 6.4.3激光多自由度测量 ma2-66M~j /vPcg 6.5激光多普勒测速 *Q3q(rdrp al Q:'K 6.5.1运动微粒散射光的频率 w#$Q?u ,G A3e83g~L 6.5.2差频法测速 "Kn%|\YL@4 9r,7>#IF 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 9&KiG* . OEgp!J 6.6环形激光测量角度和角加速度 )6-!,D0 db ON3~! Q) 6.6.1环形激光精密测角 ,dk!hm u .{#J2}+[_} 6.6.2光纤陀螺 &qFy$`" Oc?]L&a p 6.7激光环境计量 +,Z Q(
ZW Q K/~lN 6.8激光散射板干涉仪 ^{fA:N= w> gB&59r 思考练习题6 h.h\)> DM@ ER$qL"H
U 第7章激光加工技术 |"EQyV 6<C|O- 7.1激光热加工原理 ],ISWb nx'D&, VX 7.2激光表面改性技术 .q (1 (E?X@d iu 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 PzD ekyl ?r-W
, n 7.2.2激光表面熔凝技术 iyf vcKO <MBpV^Y} 7.2.3激光熔覆技术 A^"( VaK p{4nWeH?B 7.3激光去除材料技术 YeCS`IXm vTU *6) 7.3.1激光打孔 loFApBD=$^ x\R
8W8M 7.3.2激光切割 =6:>C9 CQm (N 7.4激光焊接 0_faJjTbP; =5m~rJ< { 7.4.1激光热导焊 [kyI F\0 RW04>oxVn 7.4.2激光深熔焊 5WvtvSO VsM ~$
) 7.4.3激光复合焊 &;Jg2f%. u
=%1%p, 7.5激光快速成型技术 " WE*ED 8C>\!lW" 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 j>-O'CO YRm6~c 7.5.2激光快速成型技术 [b6P
}DW Ryrvu 1 k 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 i917d@r( < 05g dVa,
7.6其他激光加工技术 (W4H?u@X0 lo:{T _ay 7.6.1激光清洗技术 Doj>Irj? 7 6<h
==I
7.6.2激光弯曲 OkaN VT B rsgTd\b 思考练习题7 =9AX\2w*H; ~dc~<hK 第8章激光在医学中的应用 . + (B:+md\Q 8.1激光与生物体的相互作用 yO`HL'SMo & 3_.k 8.1.1生物体的 光学特性 7 I`8r2H yz7 X7mAo 8.1.2激光对生物体的作用 QpZ CU] q71 ~Y:7f 8.1.3激光对生物体应用的优点 2=/,9ka ~ l OuO~`,J 8.2激光在临床治疗中的应用 H%z9VJ*!0 BL^\"Xh$| 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 + #V.6i z t|DHVy 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 Yg kd 1uI. E 6Uiw]3 8.2.3激光在眼科中的应用 z IT)Hs5 A5[iFT> 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 MGU% "7i'} ' V#$P Zx 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 F2:nL`]b[ 'NYW`, 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 $4ZjN N@ #Li6RSeW 8.2.7光动力学治疗 O-jpS?@ ]oIP;J: & 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 l}MVk%[ I->BDNk 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 *'ffMnSZ x>T IQU=\ 8.3.2激光断层摄影 & =S <StH B9h'}460H 8.3.3激光显微镜 BDiN*.w5 D(&XmC[\Y 8.4医用激光设备 |Jpi|'
aF]cEe 8.4.1医用激光 光源 F9P XQD ( Mj5&vs~n; 8.4.2医用激光传播用 光纤 gHmy?+ ) KqhE=2, 8.5激光应用于医学的未来 AREpZ 2GiU fx3oA} 8.5.1医用激光新技术 *)u%K YGr RHv|i jYy 8.5.2光动力学治疗的前景 YM.Q?p4g :-)H
ty zf 思考练习题8 /JbO $A 3EO:Uk5< 第9章激光在信息技术中的应用 '"M9`@Y3^ ] b'" l 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 C=,O'U(ep l:- < CbG 9.1.1半导体激光器 ZXH{9hxd /n-!dXi 9.1.2光纤激光器 +b_o2'' _Qd C V` 9.1.3光放大器 ~b;u1;ne WinwPn+9 9.2激光全息三维显示 L)yc_ d5 =+AL h- 9.2.1全息术的历史回顾 >& `;@ZOH $*q^ 7ME 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 B`mTp01 teX)!N [ 9.2.3白光再现的全息三维显示 ~.&PQE$DF h;DLD8L 9.2.4计算全息图 M T]2n{e V_"UiN"o 9.2.5数字全息术 hZwJ@ Vm# *Eg[@5;QA 9.2.6全息三维显示的优点 D&*'|}RZ B
x-"< ^< 9.2.7全息三维显示的应用 F~;UD<<"H 9:JQ*O$ 9.2.8全息三维显示技术的展望 CXd/M~:! SbK6o:[ 9.3激光存储技术 ul^VGW>i Vqp 3'=No 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 J-5E# v k@}g?X`8 9.3.2激光光盘存储 w{89@ XRC |f{ (MMlj 9.3.3激光体全息光存储 B2T= O % vR*p1Kq: 9.3.4激光存储技术的新进展 R
q9(<' F Ng|c13 A= 9.4激光扫描和激光打印机 J. $U_k @ XQItc< 9.4.1激光扫描 ,~*pP hQ8m X|4_}b> x 9.4.2激光打印机 0 HPqoen$ `EWQ> m + 9.5量子光通信中的激光源 WY$c^av< w^E$R 9.5.1量子光通信 |3P dlIbO &`I 7aP| 9.5.2量子态发生器及应用 TxP8 &!d 4_W*LG~2s 思考练习题9 jg\FD5 1$ /pQUu(~h_ 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 ;5&=I|xqe "@(Sw>*o 10.1激光核聚变 +j(7.6ia i% n9RuULh 10.1.1受控核聚变 $0&<Jx jL,P )TC 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 A@ZsL 'cPE7uNT 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 9}$'q$0R] o2R&s@%0@B 10.2激光冷却 wo5fGQJ i;fU],aK! 10.3激光操纵微粒 J;GYo|8 k]=lo'bF4 10.3.1光捕获 #tN!^LLi x:iLBYf 10.3.2微粒操纵 l?O%yf`s SYA0Hiw7P 10.4超越经典衍射极限的分辨率 R 6
-RH7. a[ yyEgm2 10.4.1解析延拓 u[6aSqwC | _g%,/y 9y 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 s[W hg!2~ W%@0Y m `7 10.4.3傅里叶叠层算法 irF+(&q]jh f0 "_ {\ 10.4.4相干谱复用 +wGFJLHJ 5
51p*
B2 10.4.5非相干结构光 照明成像 NeR1}W 'Esz #@R 10.4.6超分辨荧光显微镜 ( 9(NP_s "{x+ \Z\ 10.5激光光谱学 {sF;R.P&r @dc4v_9 10.5.1拉曼光谱 [ z,6 K= e'2w-^7 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 Ntlbn&lc;D l0lvca=; 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 +2,EK
S z-TarTF 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 +Uxt xl' ;N^4R$Q. 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 6+/BYN!&4 BHpj_LB-P 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 Y2W{?<99 #{5h6IC 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 IgEVz^W?h 'o|=_0-7W 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 o3Z<tI8-V E=]$nE ]b 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 C ett*jm_ ld7B{ ?] 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 HXgf=R/$ A'suZpL 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 grE'ySX0 d RHw]!. 思考练习题10 / ! aVv Erm]uI9` 附录A随机变量 K~A@>~vFb 3j\Py'}; A.1概率的定义和随机变量 &H /3@ A3 yAQ)/u[| A.2分布函数和密度函数 $ fwj8S7$ GRAPv|u9[ A.3推广到两个或多个联合随机变量 emG1Wyl e#^ vA$d A.4统计平均 / ;WFRp. EO\- J-nM 附录B随机过程 Kza5_ 7p`L USV;j%U4* B.1随机过程的定义和描述 t:%u4\nZ; TE-(Zil\ B.2平稳性和遍历性 W.> }5uVl6 f<v Z4 IU 参考文献 R:U!HE8j 9^@#Ua  e/zz.cd){ ; g\r Y （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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