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。 t!RiU ZAo Omd .9  ;!yQ -'6D g 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 2}8v(%s p XI^QF;, 1.1光的波粒二象性 F$)[kP,wtO
O({2ivX 1.1.1光波 1I:+MBGin (+0v<uR^D 1.1.2光子 p, #o<W 4EY)!?; 1.2原子的能级和辐射跃迁 -B +4+&{T V:y'Qf2M 1.2.1原子能级和简并度 B
{>7-0 &Xf}8^T<V 1.2.2原子状态的标记 YPxM<Gfa8 .mR8q+I6 1.2.3玻尔兹曼分布 VV lr*` -f DnA4; 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 q.;u?,|E/ /'/Xvm3 1.3光的受激辐射 5 sX+~Q 0)gdB'9V_ 1.3.1黑体热辐射 u A< n |p ,P46I 1.3.2光和物质的作用 m;,N)<~ `EaLGzw 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 w(L4A0K[ +~p88;
1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 ')cMiX\v ;0Tx-8l 1.4光谱线增宽 HAa; hb y gz6C 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 .6Pw|xu`Pw vw9@v` k 1.4.2自然增宽 x<ZJb Tc? $>' 1.4.3碰撞增宽 Vh4X%b$TV lgk .CC 1.4.4多普勒增宽 lN Yt`xp %xI p5h] 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 t7aefV&_, koug[5T5 1.4.6综合增宽 EFM5,gB.m ece P0x 1.5激光形成的条件 8)_XJ"9)G [D I+~F 1.5.1介质中光的受激辐射放大 \XZ/v*d0
Yo6* C 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 GBPo8L" 9 1G^`-ri 6 思考练习题1 asppRL|| Li4zTR|U 第2章激光器的工作原理 b0Ps5G\ u ,?^ p(w 2.1光学谐振腔结构与稳定性 uxr #QA 5Odh b 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 V2wb%;q },{$*f[ 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 T 4Pgbop yb\_zE\ 2.1.3稳定图的应用 GjvOM y ?^al9D[:lz 2.2速率方程组与粒子数反转 UM"- nZ>[ kaVxT_ 2.2.1三能级系统和四能级系统 4O^xY
6m lR6@
xJd:@ 2.2.2速率方程组 KW pVw! %]} 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 A P?R"% f.KN-f8<F 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 Ng2twfSl$ L>Fa^jq5 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 M P Y[X[ m[~y@7AK< 2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 , /Z%@-rF ,i s3&9 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 W}@c|d $ ` qN9(S:_Px 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 ( R=:X+ k (c=6yV@ 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 ?BeiY zg Z>k#n'm^z 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 T $ >&[f$6
dy%;W% 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 9 8I Ju <lPm1/8 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 yg<R=$n, Q Z&+ g;(g 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 `EA\u]PwQ ) j#`r/ 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 `ts$(u.w "c%0P"u 2.5激光器的损耗与阈值条件 9<6;Hr,>G {HltvO%8 2.5.1激光器的损耗 'CM|@ Zz% Q4#m\KK;i9 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 LM<qT-/qs l*Gvf_UH 2.5.3阈值条件 {4<C_52t aFX=C >M 2.5.4对介质能级选取的讨论 ZB=
E}]v6 &
p 思考练习题2 /L
g)i\R; S6 Q 第3章激光器的输出特性 q$d>(vb q JzQ_{J`k 3.1光学谐振腔的衍射理论 H(A Rw'M r=
`Jn6@ 3.1.1数学预备知识 U2#"p
{T$9?`h~M 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 $f
<(NM6? U`(ee* }o 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 i
&nSh ]KK f643#1 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 y&$A+peJ1 :1QI8%L'$i 3.2对称共焦腔内外的光场分布 @1roe
G ,wb:dj- 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 EH J.T~X l
^0@86 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 O3,jg |, Xx~Bp+ 3.3高斯光束的传播特性 h n
G Z= JX;<F~{. 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 T4U ev*A lgL%u K) 3.3.2高斯光束的相位分布 AofKw *w`sM%]Rq 3.3.3高斯光束的远场发散角 sUO`u qZV | tH4:%Q' 3.3.4高斯光束的高亮度 ? (1 y YoNDf39
3.4稳定球面腔的光束传播特性 i>`%TW:g 4SxX3Fw 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 AO4U}? \';gvr| 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 9s
q dFB]~QEK 3.5其他几种常用的激光光束 _
]ip ajT L~O vY 3.5.1厄米-高斯光束 iOghb*aW Dw.J2>uj 3.5.2拉盖尔-高斯光束 cKI9#t_ )qw &%sO + 3.5.3贝塞尔光束 NH4# &K#M*B ,*p 3.6激光器的输出功率 )*J^K?!S K($Npuu] 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 :P~6~
K um JX;G<lev 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 *w\W/ Y <iC(`J$D 3.7激光器的线宽极限 g]H<}4lgq" .|70 ; 3.8激光光束质量的品质因子M2 =8.
,43+ T.BW H2gRP 3.9模式激光的某些一阶统计性质 aB&&YlR=n< AQvudx)@" 3.9.1单模激光的一阶统计性质 k="i;! G e F^;e z/Gl 3.9.2多模激光的一阶统计性质 |u<7?)mp R&k<AZ 思考练习题3 Ow,w$0(D &j"?\f? 第4章激光的基本技术 eq;uO6[ !l8PDjAE 4.1激光器输出的选模 .M %}X7 '-~~-}= sJ 4.1.1激光单纵模的选取 l'_r :b @qAS*3j 4.1.2激光单横模的选取 f2`2,? ]{@-HTt 4.2激光器的稳频 W hy`ziks JK5gQ3C[ 4.2.1影响频率稳定的因素 %7. 30CA|# hHnYtq 4.2.2稳频方法概述 $'M!HJxb htF] W|z 4.2.3兰姆凹陷法稳频 3XV/Fb}!(i m;QMQeGz 4.2.4饱和吸收法稳频 2^ nxoye rjYJs*# 4.3激光束的变换 lRFYx? y )Ql%r?(F+ 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 jQB 9j ^<2p~h0
\ 4.3.2高斯光束的聚焦 '~=SzO &V/Mmm T
4.3.3高斯光束的准直 1mG- } -uf|w? 4.3.4激光的扩束 2\{zmc}G-0 s2'h 4.4激光调制技术 } o`76r DN 3 7o; ; 4.4.1激光调制的基本概念 AoxA+.O `[i r}+S 4.4.2电光强度调制 VMWf>ZU t%=tik2|7 4.4.3电光相位调制 $xN|5;+ vr =#3> 4.5激光偏转技术 Lp9E:D-> wf<M)Rs| 4.5.1机械偏转
.?$gpM?i (9dl(QS d 4.5.2电光偏转 H/M@t\$Dc T6=u P)!K 4.5.3声光偏转 N~'c _l ;:NJCu G 4.6激光调Q技术 Y }wyw8g/ sXFZWj }\ 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q fz
"Y CHe pEA:L$& 4.6.2调Q原理 )Pv%#P-< 0 </);g} 4.6.3电光调Q Y.p;1" ^iV)MT T 4.6.4声光调Q t KXIk9e sFRQe]zCcP 4.6.5染料调Q yJIscwF #%O0[kd 4.7激光锁模技术 cw
<l{A qJ-/7-$ ^ 4.7.1锁模原理 c-sf g>0 ^ tQ#n$ {a@f 4.7.2主动锁模 La[V$+Y |`FY1NN
4.7.3被动锁模 'LDQ gC*% ,I;> aE<# 思考练习题4 h M! a_' p5*EA
x 第5章典型激光器介绍 x]j W<A Tw<q,O 5.1固体激光器
[dz _R 3 Jn ;} 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 6ik$B w,D+j74e$ 5.1.2固体激光器的泵浦系统 Zv {'MIv&v 1_G^w
qk 5.1.3固体激光器的输出特性 P.DK0VgY ;$Jo+# 5.1.4新型固体激光器 R xQ * {{!-Gr 5.2气体激光器 n+R7D.<q!! nO-#Q=H, 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 *0ro0Z|Iq eyxW 0}[ 5.2.2二氧化碳激光器 ?e?!3Bx;EM \{N O?%s0p 5.2.3Ar＋离子激光器 (cO:`W6. 7d\QB (~ 5.3染料激光器 -Lg
Ei3m 4skD(au8 5.3.1染料激光器的激发机理 izR"+v x?<FJ"8"k 5.3.2染料激光器的泵浦 FP>2C9:d |uJ%5y# 5.3.3染料激光器的调谐 *n!J=yS _yT Ed"$
5.4半导体激光器 | V(0GB w32y3~ 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 J[kTlHMD 0*v2y*2V 5.4.2PN结和粒子数反转 -:rUw$3J \{D"
!e 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 zT { VE+= !5N.B|N t 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 )U# K s#GLJl\E_P 5.5其他激光器 l+b~KU7~l {4PwL Cy 5.5.1准分子激光器 r mOj 1 -b_~DF 5.5.2自由电子激光器 `GLx#=Q eJX#@`K 5.5.3化学激光器 t#yuOUg QsW/X0YBv 思考练习题5 L RF103nw X wtqi@zlE 第6章激光在精密测量中的应用 )M^
gT}M H"F29Pu2 6.1激光干涉测长 .S4u- 4&iCht
= 6.1.1干涉测长的基本原理 *K; ~!P +H2Qk4XFB 6.1.2激光干涉测长系统的组成 E(|>Ddv B& S8gs-gL#Og 6.1.3激光外差干涉测长技术 6w7 7YTJ eV~goj 6.1.4激光干涉测长应用举例 i@'dH3-kO
t$ *0{w
E 6.2激光衍射测量 T^q
0'#/ FiU#T.`9' 6.2.1激光衍射测量原理 Ir]\| t :gC#hmm^ 6.2.2激光衍射测量的方法 :v 4]D4\o j+Y JbL v 6.2.3激光衍射测量的应用 WEpoBP
CL Hx:;@_g q 6.3激光测距 B/C,.?Or xN(|A}w 6.3.1激光脉冲测距 :hA#m[ =\d ?'dII: 6.3.2激光相位测距 dqAw5[qMJ c`Wa^( 6.4激光准直及多自由度测量 i6N',&jFU 2?i7 UvV 6.4.1激光准直仪 GKCroyor C7?/%7{ 6.4.2激光衍射准直仪 92-I~
!d wN X]7wMX 6.4.3激光多自由度测量 ^C%<l ( b ]%(2hY~i 6.5激光多普勒测速 E)3N xmM# mBC+6(5V 6.5.1运动微粒散射光的频率 ?1".;foZ zMJT:7*`| 6.5.2差频法测速 .sA.C] f J^/p ( 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 L HmZxi? {: W$LWET 6.6环形激光测量角度和角加速度 SY8C4vb'h 'm9` 12 H 6.6.1环形激光精密测角 H:\k}*w Ct|A:/z( 6.6.2光纤陀螺 5:U so{ F<w/PMb 6.7激光环境计量 y!%CffF2 3mni>*q7d 6.8激光散射板干涉仪 h1( 4Ic A(N4N 思考练习题6 (9h`3# )_NO4`ejs/ 第7章激光加工技术 BPHW}F]X D3A/l 7.1激光热加工原理 Cls%M5MH A (0lM`X 7.2激光表面改性技术 L.WljNo Xry4 7a
) 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 % %wNZ{ *9i{,I@ 7.2.2激光表面熔凝技术 #89!' W \|ao`MMaD< 7.2.3激光熔覆技术 u wBi W E~:x(5'%d 7.3激光去除材料技术 &VcV$8k m4yL@d,Yw 7.3.1激光打孔 TOAAQ l lsfTrp 7.3.2激光切割 wvPk:1 wD5 7[wieYj{ 7.4激光焊接 .>nRzgo !g. ? 7.4.1激光热导焊 RX5dO% nNU2([ 7.4.2激光深熔焊 r"R#@V\'1b j Ny.Y8E& 7.4.3激光复合焊 rXU\ K_-MYs. 7.5激光快速成型技术 as_PoCoss ~3 bPIg7D 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 $tS}LN_!
Z(!\% mn 7.5.2激光快速成型技术 1!gbTeVlY <"|, "hA 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 IaXeRq?< 7\q~%lDE 7.6其他激光加工技术 = 9] ~ yt BVO<e \>3 7.6.1激光清洗技术 Tu 7QCr5* veh<R]U 7.6.2激光弯曲 O1mK e%'| ia 73?*mXT 思考练习题7 ? K\axf>F F@:'J\I}: 第8章激光在医学中的应用 ;d9QAN&0} W#sU` T
8.1激光与生物体的相互作用 8ITd Sg (J!+(H 8 8.1.1生物体的 光学特性 uR r o?m< ^`>/.gL 8.1.2激光对生物体的作用 >oe]$r 9*?oYm;dX 8.1.3激光对生物体应用的优点 ` ^y7f `$C
n~dT 8.2激光在临床治疗中的应用 Z/;aT -N f`= -US 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 hfy_3} _ &IB |rw'9 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 >
"= >3 q%?in+l 8.2.3激光在眼科中的应用 % - 0t?/> KyQX!,rV 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 qeZ? 7#Gf #?9;uy<j.q 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 !=P1% Tyf`j,= 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 6b \&~b@T hFl^\$Re 8.2.7光动力学治疗 $'hEz/ v Op K Np 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 )/?$3h; pD#rnp>WWt 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 DZ PPJ2 } ;x@~A^< el 8.3.2激光断层摄影 m-"w0Rl1T ah+iZ}E% 8.3.3激光显微镜 BKjS ,2C ^RtIh-Z.9 8.4医用激光设备 o$lM$E: lv+TD!b 8.4.1医用激光 光源 |2n4QBH! @7j AL - 8.4.2医用激光传播用 光纤 -: y,N
9^ <;Zmjeb+# 8.5激光应用于医学的未来 9e,0\J [}0haTYc4 8.5.1医用激光新技术 -0 x
# l3I:Q^x@ 8.5.2光动力学治疗的前景 =w
2**$ SmSH 2m- 思考练习题8 y ~!Zg}o D!-g&HBTC 第9章激光在信息技术中的应用 Ks`J([(W& _C[q4? 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 f5VLw`m}.8 U6fgo3RH 9.1.1半导体激光器 GH:jH]u!V %.-4! vj 9.1.2光纤激光器 iN8zo:&Z *VhL\IjN] 9.1.3光放大器 qm8B8&- IE/^\ M 9.2激光全息三维显示 A1>OY^p3% ]{ mPh\ 9.2.1全息术的历史回顾 G.a b ql j0evq+ 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 Jgd'1'FOs 1 +{{EOZ4 9.2.3白光再现的全息三维显示 Y;^l%eP uW T{ XS")Vw 9.2.4计算全息图 k],Q9 SdxDa 9.2.5数字全息术 W^LY'ypT ,,Q O^j]4~ 9.2.6全息三维显示的优点 EF }\brD1 .p ]RKS=(: 9.2.7全息三维显示的应用 9oR@U W1 -2 3w2Qt 9.2.8全息三维显示技术的展望 `1{ ZqRFQ 3z9d!I^>k 9.3激光存储技术 n QZwC
>kDQkhZ 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 VfC <WVYiZ J^5So 9.3.2激光光盘存储 [KaAXv
.X j<jN0 5p 9.3.3激光体全息光存储 {xB!EQ" s;Z\Io 9.3.4激光存储技术的新进展 J1RJ*mo7, oiT[de \S 9.4激光扫描和激光打印机 Ed,~1GanY p Vw}g@<M 9.4.1激光扫描 G m.T;fc: L<-_1!wh 9.4.2激光打印机 ;jvBF4Lb> ]kRfB:4ED 9.5量子光通信中的激光源 {9;CNsd = eXU@B 9.5.1量子光通信 a85$K$b> Bsq P?/ 9.5.2量子态发生器及应用 vkd.)x`J, # 9}D4i.`} 思考练习题9 n :\~'+$ {V$|3m>:* 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 ukfQ e }I E +R1 !. 10.1激光核聚变 8 \ +T8(m zrL$]Oy}x 10.1.1受控核聚变 M!A}NWF .4M.y:F 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 Z/;(f L w QH<gJE/: 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 @qqg e' EZy)A$| 10.2激光冷却 ]J}
bv9i*] 10.3激光操纵微粒 (Hz ^)5(~ \y)rt ) 10.3.1光捕获 ^ H ThN 4Lh!8g=/ 10.3.2微粒操纵 lhz{1P]s J^nBdofP 10.4超越经典衍射极限的分辨率 F2 dHH^ V b 4#, 10.4.1解析延拓 ^aMg/.j lL3kh J:% 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 KL:j?.0 *1
]uH e 10.4.3傅里叶叠层算法 7he,?T)vD z( e xA 10.4.4相干谱复用 /-ch`u md | `Ntv } 10.4.5非相干结构光 照明成像 c74.< @w =J]]EoX/ 10.4.6超分辨荧光显微镜 z8~NZ;A ./k/KSR 10.5激光光谱学 k\YG^I `PdQX.wN 10.5.1拉曼光谱 w d^': MS>Ge0P("~ 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 u\x}8pn KB,j7
~V 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 Ic:(Gi- % Un(aW=PQ0 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 /y#f3r+*2 e7r -R3_ 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 }[};IqVaK }6 }l7x 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 3 !Ij;$ BB $>h} 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 d(x\^z @* jz
o 10.6.2在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 V imE@ Hz v
~?qz5:K~ 10.6.3折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 "3"V3w C12Fl 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 TnOggpQ6X E`0? 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 9:[ 9v 2 K6qY)/_ 思考练习题10 qQ/^@3tXL n;Q7X>-f8` 附录A随机变量 E *6C w
l H8zK$! A.1概率的定义和随机变量 I H&|Tcf\ >`mVY=H i A.2分布函数和密度函数 _L UhZlw @R"JW\bd A.3推广到两个或多个联合随机变量 sPQQ"|wU I-)+bV
G A.4统计平均 f#"J]p sA/D]W.P 附录B随机过程 x8\?}UnB qzLPw*; B.1随机过程的定义和描述 YQ)kRhFA Uh4%}-; B.2平稳性和遍历性 Jk11fn;\> q[ZT Hd.- 参考文献 ")5":V~fN t]g-CW 3  ,vawzq[oSy El".I?E* （实体书推荐，有需求者，可以购买！）
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