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。 IVNNiNN*5 Rg[e~## c0 G/irK <M'IR f/D 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 aJ)5 DlfLR [ !R%yD; 1.1光的波粒二象性 qk,cp},2K T (2,iG8 1.1.1光波 }BogE$tc "}HQ)54& 1.1.2光子 W=EO=}l# 8&C(0H]1 1.2原子的能级和辐射跃迁 +~fu-%,k (Z"Xp{u 1.2.1原子能级和简并度 ESrWRO
f9 C]=E$^ |{ 1.2.2原子状态的标记 Ba+OoS >Au<y,Tw 1.2.3玻尔兹曼分布 5ZKnxEW,( e wY[vbF 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 CLk Ve
^,KR 0 1.3光的受激辐射 u3. PHZ ai ` :HhE 1.3.1黑体热辐射 F{"%ey"> BkZ%0rw% 1.3.2光和物质的作用 `p ?E{k.N kx=AX*I 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 tJu<#h X Y+j KP*r i 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 kTk?[BK Np-D:G 1.4光谱线增宽 )[K 3p{ 4
(KQt%] 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 }1W$9 \% rOD KM-7+ 1.4.2自然增宽 v4zd
x) =0)^![y]v 1.4.3碰撞增宽 u =l(W(9= y ^A $bTQq 1.4.4多普勒增宽 k`AJ$\= OWjZ)f/ 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 /<
:; ^B F: @Ixk?E 1.4.6综合增宽 Na6z,TW *@&
"MZ/M 1.5激光形成的条件 1%@~J \qF )mPlB. 1.5.1介质中光的受激辐射放大 bvx:R ~E$ `@e H4} L* 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 l =yHx\ 0/ Ht;( 思考练习题1 \+u qP:Ty 7xc<vl#:q7 第2章激光器的工作原理 ,![=_ d ;9PM?Iy[ 2.1光学谐振腔结构与稳定性 UH.cn|R %yMzgk[u 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 1 ~7_! tAA7 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 W*<]`U_. Vd0GTpB?1 2.1.3稳定图的应用 @( cS8%wK =vc5, 2.2速率方程组与粒子数反转 ,2TqzU; fI1;&{f 2.2.1三能级系统和四能级系统 rxK0<pWJhx h2%:;phH 2.2.2速率方程组 u,m-6@ il vs. uq 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 [tzSr=,Cg jEsTw_ 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 %-l:_A >D/~|`=p 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 c2^7"` $)3PF 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 rl%Kn^JJ~ OQ7c | O 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 qYiAwK$ !7)ID7d 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 >p*HXr|o$ A E&n^vdQW 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 &%X Jf~IQ u mlZ(??. 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 9@Sb! 9h 3~</lAm; 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 @'*#]YU8 3}21bL 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 h!K2F~i{P d&bc>Vt 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 UWp8I)p!\O z,|%?
1
2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 vB5iG|b} ~ 5uNw*H 2.5激光器的损耗与阈值条件 |V\.[F2Fe j dhml%pAd 2.5.1激光器的损耗
- C
ON
_CJr6Evs 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 k6 L373e#Q
sGls^J) 2.5.3阈值条件 e H /Q8A"'Nk 2.5.4对介质能级选取的讨论 tgtoK|. ' 1'1T5x~ 思考练习题2 $pfe2(8 ^Cn]+0G#C8 第3章激光器的输出特性 o:D BOpS )75yv<L2S, 3.1光学谐振腔的衍射理论 j' KobyX< k^5R f 3.1.1数学预备知识 "t B"j9Jb 4VJzs$ 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 !VX_'GyK 'Y{ux> 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 UUf1T@- qj"syO 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 ,XG|oo - Cn;H@!8<s 3.2对称共焦腔内外的光场分布 XjZao<?u jjwM vf.R 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 E'S;4B5? gDNTIOV 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 csX*XiDWm &tz%WW%D8 3.3高斯光束的传播特性 +.#S[ G hf^`at 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 ENXW#{N.v y8*@dRrq 3.3.2高斯光束的相位分布 W/r?0 E
#X@<U <R 3.3.3高斯光束的远场发散角 _2X6bIE ~q?"w:@;x 3.3.4高斯光束的高亮度 /N[o [q ]7S7CVDk4 3.4稳定球面腔的光束传播特性 >)J47j7{c xDA,?i;T
0 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 W[X!P)=w] 7! b)'W? 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性
wy_;+ 'Y ?sf2h:\N 3.5其他几种常用的激光光束 76_8e{zbr ssX6kgq_( 3.5.1厄米-高斯光束 S5E,f?l 6 ,pZRc 3.5.2拉盖尔-高斯光束 YNgR1 :l U~#^ ^ 3.5.3贝塞尔光束 .)^3t ~ G<u.+V 3.6激光器的输出功率 O{ %A&Ui F {*9[jY 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 OU.9 #|q U ghobu}wuF 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 "E ok;io H&yFSz}6a 3.7激光器的线宽极限 =Mu' +,dT U8QR*"GmT 3.8激光光束质量的品质因子M2 1_j<%1{sZ -4y)qGb*? 3.9模式激光的某些一阶统计性质 Sp`fh7d.( <7FP" YU 3.9.1单模激光的一阶统计性质 0 bPJEEd ^{fi^lL= 3.9.2多模激光的一阶统计性质 $E`i qRB 01-\:[{ 思考练习题3 cGpN4|*rQ #}t 1 第4章激光的基本技术 M89-*1 R( /[NvUb 4.1激光器输出的选模 r>Qyc fD\^M{5f 4.1.1激光单纵模的选取 qtdxMX ]iR ^Z-. [Y 4.1.2激光单横模的选取 B'KXQa -$O =N*%f% 4.2激光器的稳频 :@QK}qFP <r7qq$ 4.2.1影响频率稳定的因素 N. 5KPAvg% "S B%02 4.2.2稳频方法概述 J:~[ j 2{sD*8&` 4.2.3兰姆凹陷法稳频 <(#xOe qUEd
E`B 4.2.4饱和吸收法稳频 gc,J 2B]61 k}I5x1>& 4.3激光束的变换 <i:*p1#Bm *3.yumcv{L 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 W>q* .9}Y" ;9p#xW 6 4.3.2高斯光束的聚焦 EDq$vB 0gv3v@QO 4.3.3高斯光束的准直 9* -pden
l J3lG"Ww 4.3.4激光的扩束 r}_Lb.1] eN<>#: ` 4.4激光调制技术 0.J1!RIK/ Xc8= 2n 4.4.1激光调制的基本概念 &AQg'| fW5" 4, 4.4.2电光强度调制 &prdlh=UE ]/ZA/: Oa+ 4.4.3电光相位调制 $tDCS cotxo?)Zv 4.5激光偏转技术 B&4fYpn -! 'Oy%a# 4.5.1机械偏转 q9>Ls -k xUiWiOihr6 4.5.2电光偏转 zqHpT^ B? ?$30NK3G 4.5.3声光偏转 |dl0B26x 1R'u v4e 4.6激光调Q技术 5YTb7M _XH4;uGg 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q 7gV h!rm iXUWIgr 4.6.2调Q原理 g:3d< CS >u9id>+ 4.6.3电光调Q 'L>&ZgLy ]~j_N^oZ1X 4.6.4声光调Q #Acon7R p )CC? vV 4.6.5染料调Q jgo e^f ^3Z7 dIUww 4.7激光锁模技术 7af?E)}v eW\?eq+ `A 4.7.1锁模原理 %+AS0 JhB 8BYIxHHz 4.7.2主动锁模 egZyng
pB Nk lz_ ] 4.7.3被动锁模 M(n<Iu4^_ nuf@}W>y 思考练习题4 }Kv h`@CiJ bn0"M+7)f 第5章典型激光器介绍 :3111}>c ;jRL3 gAe) 5.1固体激光器 .+{n A}Bc a~8:rW^ 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 /M0l
p Nj0-`j0E 5.1.2固体激光器的泵浦系统 eP V-yy G"G{AS 5.1.3固体激光器的输出特性 @+}rEe_( Si#"Wn?| 5.1.4新型固体激光器 *0=fT}&! [ MV`pF)x 5.2气体激光器 ((Vj]I%
; k-{yu8*'; 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 [GtcaX{Zz ^7i^ \w0 5.2.2二氧化碳激光器 :~\LOKf kR<xtHW 5.2.3Ar＋离子激光器 BhqhyX\D&y Qy4X#wgD 5.3染料激光器 gJ]Cq/gC pp/#Am 5.3.1染料激光器的激发机理 *D \0.K,o ' oBo| 5.3.2染料激光器的泵浦 oHxGbvQc c Dfx)sL 5.3.3染料激光器的调谐 T&?w"T2 y "nVK< V d 5.4半导体激光器 \9046An }BA9Ka#% 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 *
eA{ [ W\HL al 5.4.2PN结和粒子数反转 A{4Dzm ! q]F4Lq ( 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 MB1sQReOO C>AcK#-x,{ 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 1v;'d1Hg; 4BH tR017r 5.5其他激光器 j%#?m 2J} +#0~:&!9 5.5.1准分子激光器 7;^((.]ln >g>?Y G 5.5.2自由电子激光器 BqQ] x'AF ^&C&~}Zv 5.5.3化学激光器 yPSVwe|g 6hp{,8|D"m 思考练习题5 xcHen/4X ,Qat 第6章激光在精密测量中的应用 XFtOmY a@Mq J=<L 6.1激光干涉测长 cZ^wQ5= yb69Q#V2 6.1.1干涉测长的基本原理 L {!ihJr p`\3if' 6.1.2激光干涉测长系统的组成 9H>BWjS [w,(EE 6.1.3激光外差干涉测长技术 3 sl=>;- v 5B"
A"N 6.1.4激光干涉测长应用举例 M|ms$1x {z= j_;<] 6.2激光衍射测量 -RGPt D@ 'c#IMlv 6.2.1激光衍射测量原理 pG(Fz0b{ it~Z|$ 6.2.2激光衍射测量的方法 itw{; j i^R{Ul[ 6.2.3激光衍射测量的应用 tzPC/? Rl1$?l6R f 6.3激光测距 e$HQuA~Q; 4b]_
#7Qm 6.3.1激光脉冲测距 Jfb Kf~g %Mh Q
6.3.2激光相位测距 U{"f.Z:Ydo FW_G\W. 6.4激光准直及多自由度测量 MvBD@`&7 Mxo6fn6-46 6.4.1激光准直仪 /oFc 03d R0vww_ fz 6.4.2激光衍射准直仪 B=r0?%DX"1 cI3 y 6.4.3激光多自由度测量 ~> PgJ ^G R+d<
fe 6.5激光多普勒测速 8-ZUS|7B T MqY4;UeL 6.5.1运动微粒散射光的频率 0p otz] } +tIz[+u 6.5.2差频法测速 3|zgDA Qo.Uqz.C 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 o*-9J2V=J vu<#wW*9 6.6环形激光测量角度和角加速度 L@ nebT;\' 4#_$@ r 6.6.1环形激光精密测角 :&9TW]*g *
MEe,4 6.6.2光纤陀螺 VRtO; F Fom>'g* 6.7激光环境计量 %J _ymJ'pd Sl"BK0:%7 6.8激光散射板干涉仪 S.W^7Ap &L%Jy #= 思考练习题6 U;p e: ' l|R5 第7章激光加工技术 =-Nsc1& %l]Rh/VPn? 7.1激光热加工原理 > fH*XP>( LQqfi
~ 7.2激光表面改性技术 doM?8C#` @ (>XOj?+ 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 &wjB{ % [x5mPjgw 7.2.2激光表面熔凝技术 ;%Q&hwj
#9\THfb 7.2.3激光熔覆技术 Oc~aW3*A( _f|/*.
@Q 7.3激光去除材料技术 U- g9C. m2 O&2[ g 7.3.1激光打孔 P6YQK+ ?mU\
N0o 7.3.2激光切割 h>klTP M> 5kn+
>{jh` 7.4激光焊接 (' 4wXD]C ! Mo`^ t 7.4.1激光热导焊 L M
/Ga n =o_1M| 7.4.2激光深熔焊 DW|vM pU]u 7Cy<m S 7.4.3激光复合焊 .$0Pr%0pWI ne*#+Q{E 7.5激光快速成型技术 Q'K$L9q 0hwj\{" 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 H\#:,s {1
)Gb,^NGr 7.5.2激光快速成型技术 /2XW =9$mbn
r 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 cDeZMs V [ zh"x#AyI 7.6其他激光加工技术 R=M!e<' [PWL<t::c 7.6.1激光清洗技术 8TPN#" 74f9|~% 7.6.2激光弯曲 ~5 >[`) sS9%3i/ > 思考练习题7 wf9z"B /g76Hw>H 第8章激光在医学中的应用 ]J Ml| e #epy%> 8.1激光与生物体的相互作用 5I' d PNf p 3yU:q#A 8.1.1生物体的 光学特性 S
GM!#K 1'O0`Me># 8.1.2激光对生物体的作用 Uc&iZFid2K ;GOz>pg 8.1.3激光对生物体应用的优点 &z@~B&O iM5vrz`n 8.2激光在临床治疗中的应用 *||d\peQ KOSQQf
o 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 _| zBUrN SaO3 zz@L 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 Lgi[u"Du CS@&^SEj 8.2.3激光在眼科中的应用 W)4QOS & h{_*oBa 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 CDdkoajBa E ju~}:L o 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 j *3}1L4P v}[dnG 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 6+` tn +iA=y=;blH 8.2.7光动力学治疗 z-,VnhLx L`[z[p {? 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 1%`7.;!i Gw LFL.Ke 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 =SBBvnPLI GEe`ZhG,
8.3.2激光断层摄影 6rX_-Mm6w Qh`:<KI 8.3.3激光显微镜 PDP[5q r ,t,wy37*D 8.4医用激光设备 FWY2s(5p `78V%\ 8.4.1医用激光 光源 bx}fj#J]En )/ |6'L-2 8.4.2医用激光传播用 光纤 JTW)*q9a 'C>U=cE7 8.5激光应用于医学的未来 tju|UhP3 uf' 4 ' 8.5.1医用激光新技术 G>z,#Xt (^n*Am;zlH 8.5.2光动力学治疗的前景 e3m*i}K} uk7'K 0j 思考练习题8 -<f;l _( %XTA;lrz 第9章激光在信息技术中的应用 e/ s(ojDW OB^Tq~i 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 nH[+n `{o g,k zQ}_ 9.1.1半导体激光器 )^O -X .1 %f ju G 9.1.2光纤激光器 q/gB<p9 {`" #yl6" 9.1.3光放大器 vqNsZ 8|` Y+-xv x
: 9.2激光全息三维显示 E4[}lX} R; } 22s 9.2.1全息术的历史回顾 !<n"6KA. ma& To= 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 K%j&/T j1 buMq F-j 9.2.3白光再现的全息三维显示 _GoVx=t
7;} l\VXHm 9.2.4计算全息图 1np^([' ih #AViM_u 9.2.5数字全息术 Tpr tE.mP lmCZ8 j(FF 9.2.6全息三维显示的优点 XcfKx@l SUtf[6 9.2.7全息三维显示的应用 `\Unpp\I W WG /k17 9.2.8全息三维显示技术的展望 T-" I9kM 6][1 <}8 9.3激光存储技术 ^U q (lH,JX`$a 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 +cB&Mi5 eE]hy'{d< 9.3.2激光光盘存储 +M\8>/0oA bKbp? -] 9.3.3激光体全息光存储 vS? odqi#n c u7(. 9.3.4激光存储技术的新进展 }
:?.># ! . HnGb+ 9.4激光扫描和激光打印机 ?Dsm~bkX[ l=P'B
@, 9.4.1激光扫描 0@=MOGQb N2,D:m \ 9.4.2激光打印机 `NNf&y)y sd0r'jb 9.5量子光通信中的激光源 }nx=e#[g%2 ,"?A2n-qO 9.5.1量子光通信 nBL j [ 4FMF|U 9.5.2量子态发生器及应用 8Jr?ZDf` B |{I:[ 思考练习题9 6XV<?
9q pBJAaCGm 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 K % g;NW -8Ti*: 10.1激光核聚变 E
l&h;N DPDe>3Mi[ 10.1.1受控核聚变 \NL+} cL/ 1cJsj 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 `)> 7)= { 6 vy7l(% 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 gUax'^w;V; )mcEQ -!b 10.2激光冷却 /Wj,1WX ~ #Z!b G?=" 10.3激光操纵微粒 X]*QUV] i 3`V 1XE.; 10.3.1光捕获 c| ~6Ie HeN~c< NuB 10.3.2微粒操纵 %}Q&1P= le >Wm& E 10.4超越经典衍射极限的分辨率 qN|
fEO > L\aB c} 10.4.1解析延拓 RuR t0Sd3 9uB(Mx(-:` 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 (jWss V1 CQg X=!q 10.4.3傅里叶叠层算法 qv{o |g
QB S 01wwZ 10.4.4相干谱复用 4rNL":"O 90N`CXas 10.4.5非相干结构光 照明成像 (Y e>Cp+] g[z.*y/ 10.4.6超分辨荧光显微镜 n-;y*kD v"DL'@$Ut{ 10.5激光光谱学 _GtBP'iN vwGeD|Fb5 10.5.1拉曼光谱 E8}+k o C 'mL& 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 b3$k9dmxV+ 0Fr1Ku! 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 ,d,\-x-+/ !>^JSHR4t 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 Wa"(m*hW HL{$ ^l#v 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 hq>Csj==@ V _^@ 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 Z'v- F^ xycH~ ? 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 } /^C|iS7 vq'c@yw; 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 Bs tk{&ew uZ6 d35MJ 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 :Og:v#r8= *<V^2z$y_ 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 e&I t kUHE\L.Y] 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 Lm)\Z P+W yl]FP@N( 思考练习题10 ?[)S 7\rP {==pZpyyh 附录A随机变量 "E!mva*NU Fw4* A.1概率的定义和随机变量 vFmJ;J Zy"=y+e!E; A.2分布函数和密度函数 MFit|C 0(>rG{u A.3推广到两个或多个联合随机变量 6iezLG 5 Bn wzcl A.4统计平均 25{ uz Xo5$X 7m 附录B随机过程 5t:8.%<UK <|6%9@ B.1随机过程的定义和描述 /)|X.D > R^@Ww;|q B.2平稳性和遍历性 (g8*d^u#PO L-i>R:N4 参考文献 3C>q h{z" ,lN5,zI=S  H6kf
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