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。 J%fJF//U ISTAJ8"
D  #G\-ftA & =PnNett}a 第1章辐射理论概要与激光产生的条件 !#E -p?O. >4HB~9dKU 1.1光的波粒二象性 9<"F3F0| IWwOP{ <ZQ 1.1.1光波 c)q=il7ef nhd.c2t\ 1.1.2光子 =c]We: I TP Y&O{ q 1.2原子的能级和辐射跃迁 0/cgOP!^ !A14\ 1.2.1原子能级和简并度 D hk$e
M R,A{X 1.2.2原子状态的标记 (X (:h\^ Svs&?B\}{6 1.2.3玻尔兹曼分布 d[E= HN ,V&E"D{u 1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 H D,6 b0tbS[j 1.3光的受激辐射 715J1~aRNr $-E<{ 1.3.1黑体热辐射 ' |M} 3sL DYe w6B- 1.3.2光和物质的作用 8zwH^q[`r ] HRHF'4 1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 g26 l:1P AAF;M }le, 1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 2"o <>d QEmktc1 7 1.4光谱线增宽 H
'nLC, -'i[/{ 1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 Gr3 q hG}/o&}U 1.4.2自然增宽 $A(3-n5 = l
5f'R 1.4.3碰撞增宽 ?w)A`G _ b}N \h<\G 1.4.4多普勒增宽 E>"SC\#7 `"$9L[> 1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 >q&e.- qL -{yG+1 1.4.6综合增宽
Fo]]j= }E)t,T> 1.5激光形成的条件 y cWY. HD F<)f&<5E- 1.5.1介质中光的受激辐射放大 mr VN&. )P.,h&h/ 1.5.2光学谐振腔和阈值条件 uYd_5
nw 3V]psZS 思考练习题1 <F| S<\Y. yT(86#st 第2章激光器的工作原理 7 S %`]M4; mU iJ @ 2.1光学谐振腔结构与稳定性 t4-0mNBZt$ :vC+}.{p 2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 g
G|4+' t \,`iu=YZv 2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 Q2!RFtXV <(us(zbk] 2.1.3稳定图的应用 ==bT0-M.~ dBW4 %Zh 2.2速率方程组与粒子数反转 *#'&a(h B! C Y)[{r 2.2.1三能级系统和四能级系统 < -Ax)zE CTc#*LJx>j 2.2.2速率方程组 Ge76/T%{Q |@)jS.Bn 2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 h:vI:V[/X ulk yP 2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 _Aw-{HE' v)'Uoe"R% 2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 iM]&ryGB # -" xC\R 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>>X-} w1= f\ 2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 9O:-q[K** K*"Fpx {M 2.3.1均匀增宽介质的增益系数 XJ3aaMh" VO*fC 2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 mpl^ LF[ x2g=% K= 2.4非均匀增宽介质的增益饱和 &Fch{%S> :NWrb fz 2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 j,N,WtE FFf
~Vmw 2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 A@ w9 _qo T{ /\q 5 2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 Z g >!5{T sAP YQ 2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 7L!q{%} =5h ,ZB2A 2.5激光器的损耗与阈值条件 4rNuAK`2 e73zpF 2.5.1激光器的损耗 vn96o] n $`/F5R! 2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程 ^^gV@fz Qexv_:C 2.5.3阈值条件 <U""CAE ?w@KF%D 2.5.4对介质能级选取的讨论 iIg99c7/&9 @]%c Uj Q 思考练习题2 U6_GEBz~y q.p.y 0 第3章激光器的输出特性 \J{ %xW> Eb\SK" 8 3.1光学谐振腔的衍射理论 n UD;y}}n |B@\Nf7 3.1.1数学预备知识 TfFH!1^+ rcj j(
C 3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 qg8T}y> X!0m, 3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 EA !I&
mBq }Ym~[S*x 3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 4m/L5W:K 2aW"t.[j 3.2对称共焦腔内外的光场分布 Qx[
nR/ &?y VLft 3.2.1共焦腔镜面上的场分布 gz"I=9 VXu1Y xY 3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 v
iM6q<Ht iYzm<3n? 3.3高斯光束的传播特性 3 e<sNU? tj e 3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 >*[Bq; OYNPZRu 3.3.2高斯光束的相位分布 JUC62s#_z HVc d< :g0 3.3.3高斯光束的远场发散角 z
T#j.v cvQ MZ,p 3.3.4高斯光束的高亮度 E.OL_ \ ADN 3.4稳定球面腔的光束传播特性 pL)o@-k#% (]p,Z <f 3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 !l1ycQM 5 oE!^bF? 3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 ]!04L}hy|P <Q? X'. 3.5其他几种常用的激光光束 hKYA 5] F;_L/8Ov1 3.5.1厄米-高斯光束 X{b qG]j ?3:xR_VWZu 3.5.2拉盖尔-高斯光束 K~Hp%. QBfsdu<@^ 3.5.3贝塞尔光束 H0\5a|X- dzPwlCC%- 3.6激光器的输出功率 )6:nJ"j# _,; |, 3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 Up kw.`D` ^8r4tX 3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 ?-IjaDC} ! FVXNl 3.7激光器的线宽极限 F82_#|kpS d*xKq"+
&E 3.8激光光束质量的品质因子M2 |0$wRl+kN Fi^Q]9.@{ 3.9模式激光的某些一阶统计性质 @SV.F 8P'zQ:#RV 3.9.1单模激光的一阶统计性质 lnoK.Vk9, S MdQ,n1] 3.9.2多模激光的一阶统计性质 7+vyN^XJ"5 e8"?Qm7 J 思考练习题3 L0H kmaH A!Ls<D. 第4章激光的基本技术 @<
@\CiM [E E Tx- 4.1激光器输出的选模 1]uHaI( J9
iQ W 4.1.1激光单纵模的选取 f._FwD ovn)lIs 4.1.2激光单横模的选取 vpGeG 7B hi72&6 4.2激光器的稳频 K2glkGK vUXas*s4 4.2.1影响频率稳定的因素 tOK lCc <ZV !fn 4.2.2稳频方法概述 ?=;dNS@i@ _ ecKX</Q 4.2.3兰姆凹陷法稳频 /~Q2SrYH W=$ d|*$ 4.2.4饱和吸收法稳频 "3"9sIZ( +) 4_1i4"x 4.3激光束的变换 gL+8fX2G6 C=6 Vd 4.3.1高斯光束通过薄 透镜时的变换 $6a55~h|( )( |+z' 4.3.2高斯光束的聚焦 \)?[1b&[_ )o<rU[oD]C 4.3.3高斯光束的准直 4epE!`z_& 6ji z$x 4.3.4激光的扩束 )kSE5|:pi ]$'w8<D>t, 4.4激光调制技术 lth t' | DV(^h$1_ 4.4.1激光调制的基本概念 sILkTzs w tU02t#8 4.4.2电光强度调制 h9,u i^#d$ D<zgs2Ex 4.4.3电光相位调制 '{: WxGgi '1[}PmhD 4.5激光偏转技术 NX^%a1D! &xlz80% 4.5.1机械偏转 at@B>Rb UGNFWZ c 4.5.2电光偏转
]:m}nJ_ fT-yY` 4.5.3声光偏转 LB|FVNW/S gu[ 3L 4.6激光调Q技术 c[4 H k{3:$,
b 4.6.1激光谐振腔的品质因数Q );*A$C9RA ON{&- 4.6.2调Q原理 er Cl@sq 2G'Au} q0n 4.6.3电光调Q x;,H>!r"i V/Q~NX N 4.6.4声光调Q 8m0GxgS `k} 4.6.5染料调Q &}P{w 7tgn"wK
4.7激光锁模技术 ;Zb+ WG yj iEG`+h' 4.7.1锁模原理 Zb)j2Xgl
5gV%jQgkC 4.7.2主动锁模 -v *wT*I1 Nj
N g=q 4.7.3被动锁模 8v7;{4^ V&x6ru# 思考练习题4 }VlX!/42 J+3PUfg>@R 第5章典型激光器介绍 =FkU: q$ DW ^E46k)A 5.1固体激光器 '"{ IV &[*F!=%8 5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 fHek!Jv. Aen)r@Y: 5.1.2固体激光器的泵浦系统 zK`z*\ ;6g &_6 5.1.3固体激光器的输出特性 v%|^\A"V X OQj?Q7)U 5.1.4新型固体激光器 &BnK[Q8X lLy^@s 5.2气体激光器 c!Gnd*!?- u?[dy
n 5.2.1氦氖(HeNe)激光器 FI1R7A <S'5` -& 5.2.2二氧化碳激光器 " >QNiR! JTw \5j 5.2.3Ar＋离子激光器 KUG\C\z6= Ti`H ?9t 5.3染料激光器 './j<2|;U !ydJ{\; 5.3.1染料激光器的激发机理 )v&r^DR_ ]2kgG*^n" 5.3.2染料激光器的泵浦 bKsl'3~ k ^&iUC&8W 5.3.3染料激光器的调谐 : E `N0U A ZOGH.` 5.4半导体激光器 L 4I1n l XJl2_# 5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 {8Jr.&Y2 &]gw[
` 5.4.2PN结和粒子数反转 7(<6+q2~ *k:Sg*neVq 5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 "f|\" :\ \(U w. ri 5.4.4同质结和异质结 半导体激光器 ~W'>L++ MsMNP[-l 5.5其他激光器 5bZf$$b _
F&BSu 5.5.1准分子激光器 b_xn80O
Vt-D8J\A
0 5.5.2自由电子激光器 )En *5-1 YNCQPN\v`1 5.5.3化学激光器 5tMp@$F\{[ .C fi/ 思考练习题5 6T>e~<^ oTj9 /r 第6章激光在精密测量中的应用 [!E pv<G #% PnZ
/ 6.1激光干涉测长 {] 1+01vI- $i&u\iL 6.1.1干涉测长的基本原理 %k(V 2]WF <`8l8cL 6.1.2激光干涉测长系统的组成 OM, -:H, 9mW95YI S 6.1.3激光外差干涉测长技术 7Pu.<b} jRP.Je@t 6.1.4激光干涉测长应用举例 a>jiq8d]4 DDh$n?2fd 6.2激光衍射测量 .[Ezg(U}ze ]Z?$ 5Ks 6.2.1激光衍射测量原理 qOO2@c dLQV>oF 6.2.2激光衍射测量的方法 S^;D\6(r S<" T:Y & 6.2.3激光衍射测量的应用 A<esMDX Q%6Lc .i 6.3激光测距 s,Uc cA@ ^W-03 6.3.1激光脉冲测距 KF&1Y>t= J R='c)6: 6.3.2激光相位测距 wmh[yYWc 3#7D
g't 6.4激光准直及多自由度测量 .\1{>A _ _jFSa`at 6.4.1激光准直仪 6@_Vg ~=S u`Kj s}F' 6.4.2激光衍射准直仪 iT#)i3 @&!H Ml 6.4.3激光多自由度测量 o 'S& YD ]DcQ8D 6.5激光多普勒测速 fy at-wbb %j9'HtjEa 6.5.1运动微粒散射光的频率 k[3J5 4`g1 VY }?Nb<& 6.5.2差频法测速 "Xq.b"N{* HS!O;7s' 6.5.3激光多普勒测速技术的应用 /lBx}o' ooa>~!91P 6.6环形激光测量角度和角加速度 Q)oO*CnM!- FbRq h| 6.6.1环形激光精密测角 Qx,jUL#2 Zr`pOUk!4 6.6.2光纤陀螺 {L 7O{:J :BFecS&i5 6.7激光环境计量 lc%2fVG-e i^LLKx7M& 6.8激光散射板干涉仪 0_7A
< }r`m(z$ z 思考练习题6 (9bFIvMc 5[\mwUA 第7章激光加工技术 rap`[O|l= w>M8 FG(4] 7.1激光热加工原理 8RC7 Ei ~4YU 7.2激光表面改性技术 9\F:<Bf$# Qp9)Rc5 7.2.1激光淬火技术的原理与应用 RGrra< Cnp\2Fu/ 7.2.2激光表面熔凝技术 NEInro< U#3Y 3EdF< 7.2.3激光熔覆技术 k.b-> U ]+RBykr 7.3激光去除材料技术 hiKgV|ZD @SA:64
9 7.3.1激光打孔 4Eq$f (QJ md8r " 7.3.2激光切割 Kts #e:k@ -X#Zn># 7.4激光焊接 Kfho:e, cfn\De%. 7.4.1激光热导焊 4,D$% . e RiP C 7.4.2激光深熔焊 @S H%l] P{qi>FJqe 7.4.3激光复合焊 "5 \<. d ;GF<bz 7.5激光快速成型技术 y^"[^+F3 . n_}=G
RR 7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 ;{xk[f m= M~ =Bln 5 7.5.2激光快速成型技术 (+Ia:D px !lJtvgo 7.5.3激光快速成型技术的重要应用 &g dtI hrsMAh! 7.6其他激光加工技术 >0yx!Iao > ^vyp! 7.6.1激光清洗技术 >_9w4g_< .GG6wL<$? 7.6.2激光弯曲 NYS |fa Y/\y"a 思考练习题7 &p>VT D 7s#,.(s 第8章激光在医学中的应用 lCmT m 3N8RZt1.b 8.1激光与生物体的相互作用 B J,U,! "YY6 _qQR' 8.1.1生物体的 光学特性 bB01aiUw@l 0 t. '?= 8.1.2激光对生物体的作用 :G+8%pUX] y#%*aV}|B 8.1.3激光对生物体应用的优点 9b
K K tYE\tbCO' 8.2激光在临床治疗中的应用 3C 8cvi[IS ;0j 8Xj 8.2.1激光临床治疗的种类与现状 W(
O)J$j Uy8r
!9O 8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 Ko6> h *;(wtM g 8.2.3激光在眼科中的应用 S.,om;` M'Ec:p=X" 8.2.4激光在泌尿外科中的应用 (of=hzT^? N7/eF9 8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 s zg q7 udCum4 8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 yXg #<H6V -oSfp23u 8.2.7光动力学治疗 2"Oj*
; LQy`, -& 8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 lFHj]%Y o A_T9uh[ 8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 x. d ;7 g\%vkK&I 8.3.2激光断层摄影 lPA:aHcj .2y2Qm 8.3.3激光显微镜 ]xO` c BT?)-wS 8.4医用激光设备 +4<Ij/}p H}TzNs 8.4.1医用激光 光源 7m{YWR0 u 19 d!#g 8.4.2医用激光传播用 光纤 Q& p'\6~ z qd_^
8.5激光应用于医学的未来 PjL"7^Q& LP_w6fjT 8.5.1医用激光新技术 K0681_bp 9?4EM^ - 8.5.2光动力学治疗的前景 8KQD
w: }jF67c-> 思考练习题8 lRIS&9vA3 u$A*Vsmr 第9章激光在信息技术中的应用 1y/_D$ ~ZO Ygwej2 9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 }Xn5M&> ? FH"u9ygF 9.1.1半导体激光器 irg% n zkFx2(Hq-f 9.1.2光纤激光器 '"# W!p dd $}FlT 9.1.3光放大器 xPuuG{Sm =D 1%-ym 9.2激光全息三维显示 Z?IwR hj~nLgpN 9.2.1全息术的历史回顾 a!n |/9
6 S"*M9*8 9.2.2激光全息术的基本原理和分类 JYE[
1M 3B{B6w}t& 9.2.3白光再现的全息三维显示 `%PU_;Y5Q K'Gv+UC*6 9.2.4计算全息图 fT:a{ 6xFvu7L_c; 9.2.5数字全息术 ]KsL(4PY :$=r^LSH 9.2.6全息三维显示的优点 X`REhvT D #<)q) 9.2.7全息三维显示的应用 m[k@\xS4e /hNZ7\|P 9.2.8全息三维显示技术的展望 T B!z:n X >0$zE@0 9.3激光存储技术 y":Y$v,P .Xq4QR . 9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 3,D c}$t ZS@ Gt 9.3.2激光光盘存储 7RH1,k @U~i<kt 9.3.3激光体全息光存储 #osP"~{
5)IJ|"]y 9.3.4激光存储技术的新进展 ( !K?^ si Xm#E9 9 9.4激光扫描和激光打印机 tEj-c@`"x- ?9F_E+! 9.4.1激光扫描 |H!kU.f] FCk4[qOp7 9.4.2激光打印机 7q%<JZP Y ]Wn^m+ 9.5量子光通信中的激光源 Py&DnG' H N+l 0XjZD9 9.5.1量子光通信 f&z@J ,_= +Wr"c 9.5.2量子态发生器及应用 UUE:>[, &p."`
C 思考练习题9 Mya l3UF s>p OfXIx 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 CG`s@5y> 5 BA1|%:. 10.1激光核聚变
PT`];C(he uQ} 0 hs 10.1.1受控核聚变 3 &aB U [ K GVAP 10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 ucVWvXCr /b44;U`v5- 10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 x K8n~.T(' PYOU=R%o`8 10.2激光冷却 \0{g~cU4 U c6]]Bbc 10.3激光操纵微粒 ? iX1;c9 |=dm xfj@ 10.3.1光捕获 H
3e(- T)!$-qdz/ 10.3.2微粒操纵 yMJ Y6$Ct c@+ ;4Iz 10.4超越经典衍射极限的分辨率 ^KKU@ab9 xh7 [{n[; 10.4.1解析延拓 d G}.T_l |GDf<\ 10.4.2综合孔径傅里叶全息术 FN25,Q8:*I (c'=jJX 10.4.3傅里叶叠层算法 `u. /2]n #[4Mw M3 10.4.4相干谱复用 fs43\m4= m ?8 j#gYx2 10.4.5非相干结构光 照明成像 UL46%MFQ\ P ~pC /z 10.4.6超分辨荧光显微镜 T:/68b*H\: nJdO~0}3 10.5激光光谱学 3eq V Y0q yf K Jpy 10.5.1拉曼光谱 2u(v hJ
F5 *=6,}rX"I 10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 .7BB*!CP Z[(V0/[] 10.5.3频率高分辨的双光子光谱 &oA p[] CL~21aslI 10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 A7/
R5p z_Nw%V4kr 10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 LC!Z eW35 -y@5% _- 10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 M"E ]r=1 K*ZH<@o4 10.6.1电磁波的正常多普勒效应 BUuU#e5 c|kQ 3( 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 'G.^g}N1 ;+) M~2 = 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 ,P?R
3 F(-1m A&- 10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 Xv` c@n ) !' -|]xx( 10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 &H Pzm6.3 :6^8Q,C1@ 思考练习题10 dIOj]5H3F >=|;2*9v 附录A随机变量 UF
g N@ NwK(<dzG A.1概率的定义和随机变量 OT & mNE4 n*4N%yI^m5 A.2分布函数和密度函数 S qiLp!Y` J D \:bI A.3推广到两个或多个联合随机变量 A.mIqu,: qU'O 4TWZ A.4统计平均 p'`SYEY@Z aYjFRH` 附录B随机过程 b&Dc DX rKP;T"?; B.1随机过程的定义和描述 F-=W7 D:[c _ ]W
}6?i B.2平稳性和遍历性 B!S s
35< c'9-SY1'~ 参考文献 -&#H@Gyw
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