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。 :tbI=NDb  
P,zQl;  
/0>'ZzjV,  
XD8Cf!  
第1章辐射理论概要与激光产生的条件 %4` U' j  
U6|T<bsOl  
1.1光的波粒二象性 m{
$+  
)cL(()N  
1.1.1光波 ;HYEJ3  
|[r7
B*fw  
1.1.2光子 5{W A
w !  
,ye[TQ\,M  
1.2原子的能级和辐射跃迁 f4,|D |  
t<c7%i#Od  
1.2.1原子能级和简并度 -vm1xp$  
NsS;d^%I  
1.2.2原子状态的标记 byP<!p*  
yQ^,>eh  
1.2.3玻尔兹曼分布 |3FGMg%  
Q
m7];,  
1.2.4辐射跃迁和非辐射跃迁 -Sh&x  
"N
'W~XPG  
1.3光的受激辐射 22ySMtxn  
ho6hjhS|u  
1.3.1黑体热辐射 A|K=>7n]U  
Mb"y{Fox  
1.3.2光和物质的作用 gT=pO`a  
%
u VTf  
1.3.3自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 J:'_S `J  
bLWY Tj  
1.3.4自发辐射光功率与受激辐射光功率 iEI#J!
~  
atd;)o0*0  
1.4光谱线增宽 X'\h^\yOo  
r"K!
]Vw  
1.4.1光谱线、线型和光谱线宽度 &=S:I!9;;  
OpazWcMoo  
1.4.2自然增宽 ab9ecZ  
`zq+Xl  
1.4.3碰撞增宽 ^B%ki  
y:Gn58\o  
1.4.4多普勒增宽 5~UW=   
]8"U)fzmc.  
1.4.5均匀增宽和非均匀增宽线型 aso8,mpZuA  
7jxx,#I:  
1.4.6综合增宽 bbjEQby  
8G$BQ  
1.5激光形成的条件 8JQ\eF$ma  
7l/ZRz}1  
1.5.1介质中光的受激辐射放大 ZXo;E  
"doiD=b  
1.5.2光学谐振腔和阈值条件 0=U|7%dOL  
&RbPN^  
思考练习题1 KkTE -$-  
x8C\&ivn  
第2章激光器的工作原理 y'b*Dk{  
boDD?0.|  
2.1光学谐振腔结构与稳定性 ex`T9j.=B  
p-\->_9)y`  
2.1.1共轴球面谐振腔的稳定性条件 9MO=f^f-  
S"?fa)~  
2.1.2共轴球面腔的稳定图及其分类 8 3/WWL }  
2
?6]Xbs{  
2.1.3稳定图的应用 lw~ V  
J2 )h":2  
2.2速率方程组与粒子数反转 S:i#|T."  
4sORp^t'Q  
2.2.1三能级系统和四能级系统 *aS+XnT/  
-l_B;Sb:e  
2.2.2速率方程组 $kN=45SR  
1anh@T.  
2.2.3稳态工作时的粒子数密度反转分布 EqtL&UHe  
U/AiI;Ne  
2.2.4小信号工作时的粒子数密度反转分布 PCL ;Z  
RR:%"4M  
2.2.5均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 }6.@  
m44a HBwId  
2.2.6均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 Fx.Ly]L  
%x{kd8>u!  
2.3均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 i
\^4EQ
  
:2M&C+f[  
2.3.1均匀增宽介质的增益系数 K^@9\cl^  
})70S8k  
2.3.2均匀增宽介质的增益饱和 YU8]W%  
p[xGL } +\  
2.4非均匀增宽介质的增益饱和 `)cH(Rj  
Nc4;2~XwRp  
2.4.1介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 vK+reXE  
O<V 4j,  
2.4.2非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 >"=DN5w ,S  
8TAJ#Lm  
2.4.3非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 [PUu9rz#  
eBxm  
2.4.4非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 l"}_+5  
o<3$|`S&  
2.5激光器的损耗与阈值条件 ILAn2W  
#z%D d{E  
2.5.1激光器的损耗 N%Ta.`r  
>l AtfN='  
2.5.2激光谐振腔内形成稳定光强的过程  6(-s@{  
Q0K$ZWM`7  
2.5.3阈值条件 IKPGqoM  
\B84  
2.5.4对介质能级选取的讨论 YK6'/2!  
yj_>G  
思考练习题2 UQ0<sI=  
EZ|v,1`e  
第3章激光器的输出特性 ;9h;oB@  
DZC@^k \E  
3.1光学谐振腔的衍射理论 8a
WEl%  
EmcLW74  
3.1.1数学预备知识 300w\9fn&  
<C(o0u&/  
3.1.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 f4Y)GO<R]  
 HrsG^x  
3.1.3光学谐振腔的自再现模积分方程 r#4/~a5i~  
D 6
y,Q  
3.1.4激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 `a MU2  
"#o..?K  
3.2对称共焦腔内外的光场分布 z dgS@g  
;TWLo_  
3.2.1共焦腔镜面上的场分布 p+V#86(3  
"t.`/4R2w  
3.2.2共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 =gQ9>An  
f!#!  
3.3高斯光束的传播特性 @lE'D":?  
;mk[!  
3.3.1高斯光束的振幅和强度分布 wTa u.Bo  
Yjjh}R#  
3.3.2高斯光束的相位分布 ]1<GZ`  
[DM0'4  
3.3.3高斯光束的远场发散角 OQKeU0v  
@0@ZlHwM  
3.3.4高斯光束的高亮度 7:<w)Al!  
8;DDCop 8L  
3.4稳定球面腔的光束传播特性 ?![[la+f  
XhM!pSl\  
3.4.1稳定球面腔的等价对称共焦腔 \|S!g_30m  
byM-$l  
3.4.2稳定球面腔的光束传播特性 JaRsm'SIk~  
{jz`K1  
3.5其他几种常用的激光光束 2Ckx.m&  
[ncK+rGAc  
3.5.1厄米-高斯光束 )|lxzlk  
z6ObX  
3.5.2拉盖尔-高斯光束 a^p#M  
?qaWt/m  
3.5.3贝塞尔光束 aaFT   
9dhEQ=K{3  
3.6激光器的输出功率 lQ;BI~  
$QC1l@[sM  
3.6.1均匀增宽型介质激光器的输出功率 V9<`?[Usv  
T^1 Z_|A  
3.6.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率 1[SG.  
",$_\l  
3.7激光器的线宽极限 _?I{>:!|  
V]p{jLG  
3.8激光光束质量的品质因子M2 {p84fR1P  
XnQR(r)pR2  
3.9模式激光的某些一阶统计性质 g F*AS(9  
Kgu8
E:nL  
3.9.1单模激光的一阶统计性质 CBEf;I
g  
XVN`J]XHk  
3.9.2多模激光的一阶统计性质 !5o j~H  
}xk(aM_  
思考练习题3 __g k:a>oQ  
}uZs)UQ|$  
第4章激光的基本技术 RSp wU;o6z  
"B_3<RSL  
4.1激光器输出的选模 [k6I#v<&  
R c+olJ^5  
4.1.1激光单纵模的选取 SMX]JZmH  
Y_JQPup  
4.1.2激光单横模的选取 e7RgA1  
c1yRy|  
4.2激光器的稳频 J-v1"7[2GC  
)XN_|zCk  
4.2.1影响频率稳定的因素 !ZYPz}&N_  
B.q/}\ ?(  
4.2.2稳频方法概述 l-+=Yk!X  
C`[<6>&y  
4.2.3兰姆凹陷法稳频 8=`L#FkRp  
p0Jr{hM  
4.2.4饱和吸收法稳频 Q/+`9z+c  
Jb QK$[z"  
4.3激光束的变换 8s1nE_3  
v'W{+>.  
4.3.1高斯光束通过薄透镜时的变换 C^J<qq&  
7Y5r3a}%  
4.3.2高斯光束的聚焦 VeYT[Us"  
g+ c*VmY  
4.3.3高斯光束的准直 nkW})LyB\  
J}#gTG( '  
4.3.4激光的扩束 ?QOU9"@+B  
7n7Xyb  
4.4激光调制技术 jRJG .hcB5  
YB38K(  
4.4.1激光调制的基本概念 tbFAVGcAM  
ZL( j5E  
4.4.2电光强度调制 hNN>Pd~;  
YOl$sgg}  
4.4.3电光相位调制 ?jmP]MM  
0q}i5%m7  
4.5激光偏转技术 lPy|>&Yc  
H;/do-W[  
4.5.1机械偏转 +A| Bc~2!  
mUBy*
.  
4.5.2电光偏转 5h5izA'0'  
u<-)C)z  
4.5.3声光偏转 JrzPDb`m  
$1yO Zp5  
4.6激光调Q技术 fiGTI}=P  
+fP.Ewi  
4.6.1激光谐振腔的品质因数Q Bs"D<r&ro  
;4nY{)bD  
4.6.2调Q原理 3l{V:x!9@  
QAs)zl0  
4.6.3电光调Q h `Lr5)B'  
[o)K1>>7  
4.6.4声光调Q lvW T  
~gDYb#p  
4.6.5染料调Q #T=iS(i  
)~ (*q  
4.7激光锁模技术 /ZvP.VW&  
mTZ/C#ir(  
4.7.1锁模原理 y )QLR<wf  
nu0pzq\6  
4.7.2主动锁模 %*R, ceuI  
z`{sD]  
4.7.3被动锁模 /K:r4Kw  
4^F[Gp?  
思考练习题4 eZ'8JU]  
,lZ19B?WP  
第5章典型激光器介绍 Y%KowgP\  
`Fd \dn  
5.1固体激光器 8 v/H;65  
B)0/kY7c  
5.1.1固体激光器的基本结构与工作物质 TRhMxH  
;uBGB h<  
5.1.2固体激光器的泵浦系统 6S`_L  
V*vQNPey  
5.1.3固体激光器的输出特性 'RjEdLrI  
z|#*c5Y9w  
5.1.4新型固体激光器 \Zj%eW!m  
E
'08'8y  
5.2气体激光器 m#_B
F#  
GwX)~.i  
5.2.1氦氖(He�睳e)激光器 yXNr[7  
dbf<k%i6  
5.2.2二氧化碳激光器 ]A5F}wV4  
B/agW  
5.2.3Ar＋离子激光器 x3+ -wv  
wHLQfrl0  
5.3染料激光器 @%4'2b  
v;,W ^#`  
5.3.1染料激光器的激发机理 , $7-SN  
XZE(& (s  
5.3.2染料激光器的泵浦
)OI}IWDl  
{ DYY9MG8  
5.3.3染料激光器的调谐 UmR)L!QT8  
<LbLMV  
5.4半导体激光器 %1?t)Bg  
%' DOFiU  
5.4.1半导体的能带和产生受激辐射的条件 5rsz2;#p  
be+-p  
5.4.2PN结和粒子数反转 4|x_C-@  
N:`_Vl  
5.4.3半导体激光器的工作原理和阈值条件 Phn^0 iF
 
MJ}{Q1|*  
5.4.4同质结和异质结半导体激光器 }U}zS@kI  
J!C \R
5\  
5.5其他激光器 Ed=/w6<  
5226&N  
5.5.1准分子激光器 ?!RbS#QV}  
+SFFwjI  
5.5.2自由电子激光器 R27'00(Z0  
x^lcT  
5.5.3化学激光器 =xk>yw!O)  
c=v016r\  
思考练习题5 |f_'(-v`E  
b7.7@Ly y  
第6章激光在精密测量中的应用 64'2ICf#m  
\uZpAV)5  
6.1激光干涉测长 -Q? i16pM  
_7!ZnJrR
 
6.1.1干涉测长的基本原理 utck{]P  
}3lG'Y#Kpy  
6.1.2激光干涉测长系统的组成 Q>5f@aN  
DOWWG!mx  
6.1.3激光外差干涉测长技术 J!Z6$V
ERy  
Cu@q*:'  
6.1.4激光干涉测长应用举例 dA<%4_WZty  
DuC#tDP  
6.2激光衍射测量 {V7mpVTX.  
qJG;`Ugl:  
6.2.1激光衍射测量原理 lWRl  
d/ Lz"  
6.2.2激光衍射测量的方法 / &Z8g4vc  
gP>pbW_  
6.2.3激光衍射测量的应用 4U dk
#  
!Q\*a-C  
6.3激光测距 ZX/FIxpy  
;Z*rY?v  
6.3.1激光脉冲测距 M6wH$!zRa  
Q0xGd(\  
6.3.2激光相位测距 `)cI^!  
+2MF#{ tS  
6.4激光准直及多自由度测量 X3sAy(q  
A.b^?k%I  
6.4.1激光准直仪 nc1~5eo  
k[*9b:~  
6.4.2激光衍射准直仪 dOv\]  
|47t+[b  
6.4.3激光多自由度测量 b@J"b(  
(?Ko:0+*  
6.5激光多普勒测速 g=mKTk   
/)[-5n{  
6.5.1运动微粒散射光的频率 $6m@gW]N  
6wpW!SWD  
6.5.2差频法测速 |ru!C(  
d5-Q}D,P  
6.5.3激光多普勒测速技术的应用 ^?{&v19m  
Tu-lc)  
6.6环形激光测量角度和角加速度 T[4xt,[a  
<,$*(dX)(  
6.6.1环形激光精密测角 *  1}dk`-  
"]jN'N(.  
6.6.2光纤陀螺 7=G6ao7  
&&CrF~  
6.7激光环境计量 u.q3~~[=  
="]lN  
6.8激光散射板干涉仪 A< .5=E,/  
2<*"@Vj  
思考练习题6 TeuZVy8a  
t,LK92?  
第7章激光加工技术 qJF'KHyU{l  
R:n|1]*f3X  
7.1激光热加工原理 yW?
-Z[  
^0"^  
7.2激光表面改性技术 2MB>NM<xO  
d7BpmM  
7.2.1激光淬火技术的原理与应用 R@grY:h  
p p0356  
7.2.2激光表面熔凝技术 Le
a4-Gc  
@5&57R3>  
7.2.3激光熔覆技术 kKRu]0J~[  
'{0O!y[H6  
7.3激光去除材料技术 i-w<5pGnf  
]2L11"erP  
7.3.1激光打孔 0Gj/yra9MO  
Z:^<NdKe  
7.3.2激光切割 T$mT;k  
\4qF3#  
7.4激光焊接 o#"yFP1  
>/Z*\6|Zx#  
7.4.1激光热导焊 +|;Ri68  
?#c "wA&  
7.4.2激光深熔焊 POm;lM$  
xuHP4$<h3  
7.4.3激光复合焊 B (eXWWT_  
:*g$@T   
7.5激光快速成型技术 +)h# !/  
1\Bh-tzB  
7.5.1激光快速成型技术的原理及主要优点 [-Z 6QzT  
ug{sQyLN  
7.5.2激光快速成型技术 [Cd#<Te3  
dH0>lV  
7.5.3激光快速成型技术的重要应用  e+#Oj  
p]X+#I<  
7.6其他激光加工技术 Uf_mwEE  
C%z9Q  
7.6.1激光清洗技术 z1tD2jL_  
:9&@/{W  
7.6.2激光弯曲 <NDV 5P  
\8*j"@ !H  
思考练习题7 [ s/j?/9  
OWfB8*4@  
第8章激光在医学中的应用 sMAH;'`!Eu  
x!85P\sm  
8.1激光与生物体的相互作用 f dJg7r*  
Y:CqQ  
8.1.1生物体的光学特性 (j:[<U
  
4]zn,g?&  
8.1.2激光对生物体的作用 B4*,]lS?  
41B.ZE+*qd  
8.1.3激光对生物体应用的优点 QH
XpX9  
1IgTJ" \  
8.2激光在临床治疗中的应用 _ZWU~38PM  
U4a8z<l$  
8.2.1激光临床治疗的种类与现状 >f9Q&c$R  
ZHwN3  
8.2.2激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 -q)|I|y*7  
2fayQY xD  
8.2.3激光在眼科中的应用 1mh7fZgn  
<Qbqxw  
8.2.4激光在泌尿外科中的应用 f[`&3+  
1A(f_ 0,.Q  
8.2.5激光在耳鼻喉科中的应用 i5WO)9Us  
x5#Kk.  
8.2.6最新的技术——间质激光光凝术 ]LCL?zAzH!  
Ss{5'SF)$c  
8.2.7光动力学治疗 &H,UWtU+  
@d5t%V\  
8.3激光在生物体检测及诊断中的应用 S"+#=C
 
yWN'va1+$  
8.3.1利用激光的生物体光谱测量及诊断 ~s?y[yy6i  
L`:V]p  
8.3.2激光断层摄影 /a$Zzs&xs  
.ezko\nU  
8.3.3激光显微镜 u3 +]3!BQ  
KB\ri&bF  
8.4医用激光设备 otdv;xI9  
Q^Vch(`&P  
8.4.1医用激光光源 =L"I[  
FAGi`X<L  
8.4.2医用激光传播用光纤 Mu" vj*F  
H11@ DQ6  
8.5激光应用于医学的未来 frQ=BV5%6  
q`|E9  
8.5.1医用激光新技术 D+BflI~9mP  
]]u_Mdk  
8.5.2光动力学治疗的前景 ,F'y:px  
*xeJ4h  
思考练习题8 6!U~dt#a  
bL:+(/:  
第9章激光在信息技术中的应用 g]b%<DJ  
|<8g 2A{X  
9.1光纤通信系统中的激光器和光放大器 vX
Spn71Jb  
|f}`uF  
9.1.1半导体激光器 > JTf0/  
c!$~_?]  
9.1.2光纤激光器 #LYx;[
D6  
1 !.PH   
9.1.3光放大器 ;$r!eFY;  
zs-,Y@ZL  
9.2激光全息三维显示 NUi&x+  
4l{La}Aj  
9.2.1全息术的历史回顾 WK SWOSJ  
VM3)L>x]/  
9.2.2激光全息术的基本原理和分类 o:%;AOcl  
@nj`T{*.  
9.2.3白光再现的全息三维显示 nzB!0U  
y+.(E-g  
9.2.4计算全息图 >ZAn2s  
XQ Si  
9.2.5数字全息术 2ZxZ2?.uJ  
*; 6LX  
9.2.6全息三维显示的优点 i8/"|+Z  
\7(OFT\u:  
9.2.7全息三维显示的应用 w (,x{Bg\  
@^Kw\s  
9.2.8全息三维显示技术的展望 - :x6X$=  
J B  !Q  
9.3激光存储技术 BQ~\p\  
Nu; 9  
9.3.1激光存储的基本原理、分类及特点 zL+M-2hV  
\D! I"mr  
9.3.2激光光盘存储 AIwp2Fz  
I"jub kI=Z  
9.3.3激光体全息光存储 j+3=&PkA.]  
|uA /72  
9.3.4激光存储技术的新进展 qUNXT  
`$Vn
B  
9.4激光扫描和激光打印机 }Do$oyAV$G  
OFlY"OS[  
9.4.1激光扫描 gM v0[~;u  
]u >~:  
9.4.2激光打印机 3{- 8n/4 k  
4Cf.%f9@  
9.5量子光通信中的激光源 ,HW[l.v  
5lm>~J!/^  
9.5.1量子光通信 0~nub  
GplEad $  
9.5.2量子态发生器及应用 f@xjNm*'Z  
SDW!9jm>R  
思考练习题9 -sk!XWW+  
j{NcDepLn  
第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 yKOC1( ~  
NFb<fD[C  
10.1激光核聚变 O ;B[ZMV  
&o)eRcwH`  
10.1.1受控核聚变 Y X{F$
BM  
09HqiROw  
10.1.2磁力约束和惯性约束控制方法 ~$ "P\iJ  
bX&=*L+h6  
10.1.3激光压缩点燃核聚变的原理 1:q5h*  
7brC@+ZD  
10.2激光冷却 ,S=ur%  
n]WVT@  
10.3激光操纵微粒 nTPq|=C  
]KRw[}z  
10.3.1光捕获 iXuSFman  
vHx[:vuq:  
10.3.2微粒操纵 b(:U]>J  
0\yA6`}!  
10.4超越经典衍射极限的分辨率 A>J,Bi  
[Xo[J?w],2  
10.4.1解析延拓 g,5Tr_  
f5&K=4khn  
10.4.2综合孔径傅里叶全息术 B["C~aF  
%pImCpMR  
10.4.3傅里叶叠层算法 ~~3 BV,  
5'[b:YC  
10.4.4相干谱复用  F]KAnEf  
nHF%PH#|o  
10.4.5非相干结构光照明成像 >Y"Ru#Ju9  
Ya-kMUW  
10.4.6超分辨荧光显微镜 S/7?6y~  
o0F&,|'  
10.5激光光谱学 -1tiy.^$F  
#\$AB_[ot>  
10.5.1拉曼光谱 _tQR3I5  
$~<]G)*Z  
10.5.2空间高分辨的激光显微光谱 1gDsL  
OS$^>1f"  
10.5.3频率高分辨的双光子光谱 BBlYy5x  
L~>~a1p!  
10.5.4时间高分辨的激光闪光光谱 &`Ek-b!7  
Z+G/==%3#,  
10.5.5各种特殊效能的激光光谱技术 Y4I;-&d's  
f#b;s<G  
10.6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 2N[/Cc2Tg/  
)V?:qCuY>  
10.6.1电磁波的正常多普勒效应 :[.**,0R  
=/MA`>  
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 `ehcj G1nY  
4
|Ay;}X \  
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 yw+LT,AQ.  
TnQ"c)ta  
10.6.4反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 8t >nL  
k?;B1D8-n  
10.6.5反常多普勒效应的测量实验结果 8zzY;3^h;  
.I nDyKt  
思考练习题10 z6;6 o!ej  
~l"]J'jF"H  
附录A随机变量 b,uudtlH  
![9umsx  
A.1概率的定义和随机变量 ]YWz;
Z  
'j(F=9)  
A.2分布函数和密度函数 %+HZ4M+hV  
3 G_0DS  
A.3推广到两个或多个联合随机变量 aGq1YOD[$  
2$s2u;  
A.4统计平均 Bw25+l Px  
2v?fbrC5c  
附录B随机过程 4Be'w`Q {  
L(
+
I  
B.1随机过程的定义和描述 yr/G1?k%ML  
!N'HL-oT  
B.2平稳性和遍历性 NWS3-iZ|8  
2r
Pmu  
参考文献 ce:p*  
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