激光原理及应用(第4版)

目 录

第1章　概述 1
1．1　激光发展简史 1
1．2　激光的特性 3
1．2．1　方向性 3
1．2．2　单色性 4
1．2．3　相干性 5
1．2．4　高亮度 6
1．3　激光应用简介 7
习题与思考题一 11
第2章　激光产生的基本原理 12
2．1　原子发光的机理 12
2．1．1　原子的结构 12
2．1．2　原子的能级 13
2．1．3　原子发光的机理 13
2．2　自发辐射、受激辐射和受激吸收 13
2．2．1　自发辐射 14
2．2．2　受激辐射 15
2．2．3　受激吸收 15
2．2．4　三个爱因斯坦系数之间的关系 16
2．3　激光产生的条件 17
2．3．1　受激辐射光放大 17
2．3．2　集居数反转 18
2．3．3　激活粒子的能级系统 18
2．3．4　光的自激振荡 20
2．4　激光器的基本组成与分类 22
2．4．1　激光器的基本组成 22
2．4．2　激光介质 22
2．4．3　泵浦源 22
2．4．4　光学谐振腔 23
2．4．5　激光器的分类 24
习题与思考题二 26
第3章　光学谐振腔与激光模式 27
3．1　光学谐振腔的构成和分类 27
3．1．1　构成和分类 28
3．1．2　典型开放式光学谐振腔 29
3．2　激光模式 30
3．2．1　驻波与谐振频率 30
3．2．2　纵模 31
3．2．3　横模 33
3．3　光学谐振腔的损耗 34
3．3．1　光腔的损耗 34
3．3．2　光子在腔内的平均寿命 37
3．3．3　无源腔的品质因数―Q值 38
3．4　光学谐振腔的稳定性条件 38
3．4．1　腔内光线往返传播的矩阵表示 39
3．4．2　共轴球面腔的稳定性条件 43
3．4．3　临界腔 45
3．5　光学谐振腔的衍射理论基础 46
3．5．1　自再现模 46
3．5．2　菲涅耳―基尔霍夫衍射积分 48
3．5．3　自再现模积分方程 49
3．5．4　自再现模积分方程解的物理
意义 50
3．6　平行平面腔的自再现模 51
3．6．1　平行平面镜腔的自再现模积分
方程 52
3．6．2　平行平面腔模的数值迭代解法 52
3．6．3　单程衍射损耗、单程相移与谐振
频率 54
3．7　对称共焦腔的自再现模 55
3．7．1　方形镜对称共焦腔 56
3．7．2　圆形镜对称共焦腔 65
3．8　一般稳定球面腔的模式理论 67
3．8．1　一般稳定球面腔与共焦腔的
等价性 68
3．8．2　一般稳定球面腔的模式特征 69
3．9　非稳定谐振腔 71
3．9．1　非稳腔的基本结构 71
3．9．2　非稳腔的几何自再现波型 73
3．9．3　非稳腔的几何放大率 74
3．9．4　非稳腔的能量损耗 75
3．9．5　非稳腔的输出耦合方式 76
3．9．6　非稳腔的主要特点 77
习题与思考题三 78
第4章　高斯光束 80
4．1　高斯光束的基本性质 80
4．1．1　高斯光束 80
4．1．2　高斯光束的基本性质 82
4．1．3　高斯光束的特征参数 83
4．2　高斯光束的传输与变换规律 85
4．2．1　高斯光束的传输与变换规律 86
4．2．2　实例分析 88
4．3　高斯光束的聚焦和准直 89
4．3．1　高斯光束的聚焦 89
4．3．2　高斯光束的准直 91
4．4　高斯光束的自再现变换 93
4．4．1　利用薄透镜实现自再现变换 94
4．4．2　球面反射镜对高斯光束的
自再现变换 94
4．5　高斯光束的匹配 95
4．6　激光束质量因子 97
习题与思考题四 98
第5章　激光工作物质的增益特性 101
5．1　谱线加宽与线型函数 101
5．1．1　谱线加宽概述 101
5．1．2　光谱线加宽的机理 102
5．1．3　均匀加宽、非均匀加宽和综合
加宽 109
5．2　速率方程 111
5．2．1　对自发辐射、受激辐射、受激
吸收概率的修正 111
5．2．2　单模振荡速率方程 114
5．2．3　多模振荡速率方程 116
5．3　均匀加宽激光工作物质对光的增益 117
5．3．1　增益系数 117
5．3．2　反转集居数饱和 119
5．3．3　增益饱和 121
5．4　非均匀加宽激光工作物质对光的增益 123
5．4．1　增益饱和 123
5．4．2　烧孔效应 125
习题与思考题五 127
第6章　激光器的工作特性 131
6．1　连续与脉冲工作方式 131
6．1．1　短脉冲运转 132
6．1．2　长脉冲和连续运转 132
6．2　激光器的振荡阈值 133
6．2．1　阈值增益系数 133
6．2．2　阈值反转集居数密度 134
6．2．3　阈值泵浦功率和能量 134
6．3　激光器的振荡模式 137
6．3．1　起振纵模数 137
6．3．2　均匀加宽激光器的输出模式 138
6．3．3　非均匀加宽激光器的输出
模式 140
6．4　连续激光器的输出功率 141
6．4．1　均匀加宽单模激光器的输出
功率 141
6．4．2　非均匀加宽单模激光器的输出
功率 142
6．4．3　多模激光器 144
6．5　脉冲激光器的工作特性 144
6．5．1　短脉冲激光器的输出能量 144
6．5．2　弛豫振荡 145
习题与思考题六 146
第7章　激光特性的控制与改善 149
7．1　模式选择 149
7．1．1　横模选择 149
7．1．2　纵模选择 152
7．2　稳频技术 154
7．2．1　频率的稳定性 155
7．2．2　稳频方法 156
7．3　调Q技术 160
7．3．1　调Q激光器工作原理 161
7．3．2　Q调制方法 162
7．3．3　调Q激光器基本理论 166
7．4　超短脉冲技术 170
7．4．1　锁模原理 170
7．4．2　锁模方法 173
7．4．3　均匀加宽激光器主动锁模自洽
理论 178
7．4．4　阿秒激光的产生与测量 180
7．5　激光调制技术 182
7．5．1　激光调制的基本概念 182
7．5．2　电光调制、声光调制和磁光
调制 185
7．5．3　直接调制 188
7．6　激光偏转技术 189
7．6．1　机械偏转 189
7．6．2　电光偏转 190
7．6．3　声光偏转 191
7．7　光电器件设计及参数选用原则 191
7．7．1　电光调制器的设计 191
7．7．2　电光调Q激光器的设计 192
7．7．3　声光调制器的设计 193
习题与思考题七 194
第8章　典型激光器 197
8．1　固体激光器 197
8．1．1　固体激光器的基本结构和泵浦
方式 197
8．1．2　红宝石固体激光器 199
8．1．3　钕激光器 200
8．1．4　掺钛蓝宝石激光器 202
8．2　气体激光器 203
8．2．1　气体激光器的泵浦方式 203
8．2．2　氦氖激光器 203
8．2．3　二氧化碳激光器 205
8．2．4　氩离子激光器 207
8．3　染料激光器 208
8．3．1　染料激光器的泵浦方式与基本
结构 209
8．3．2　染料激光器的工作原理 210
8．4　新型激光器 211
8．4．1　准分子激光器 211
8．4．2　自由电子激光器 212
8．4．3　化学激光器 214
8．4．4　声子激光器 215

8．4．5　纳米激光器 217
8．4．6　生物激光器 221
习题与思考题八 225
第9章　半导体激光器 226
9．1　半导体激光器物理基础 227
9．1．1　半导体的能带结构和电子状态 227
9．1．2　半导体中载流子的分布与复合
发光 229
9．1．3　PN结 232
9．1．4　半导体激光材料 233
9．2　半导体激光器的工作原理 234
9．2．1　半导体激光器受激发光条件 234
9．2．2　半导体激光器有源介质的增益
系数 236
9．2．3　阈值条件 236
9．2．4　半导体激光器的速率方程及其
稳态解 237
9．3　半导体激光器有源区对载流子和光子的
限制 239
9．3．1　异质结半导体激光器 239
9．3．2　量子阱激光器 242
9．3．3　光约束因子 243
9．4　半导体激光器的谐振腔结构 244
9．4．1　FP腔半导体激光器 245
9．4．2　分布反馈式半导体激光器与
布拉格反射式半导体激光器 245
9．4．3　垂直腔表面发射半导体
激光器 249
9．5　半导体激光器的特性 251
9．5．1　阈值特性 251
9．5．2　半导体激光器的效率与输出
功率 252
9．5．3　半导体激光器的输出模式 253
9．5．4　动态特性 256
习题与思考题九 258
第10章　光通信系统中的激光器和放大器 260
10．1　半导体激光器在光纤通信中的应用 260
10．1．1　作为光纤通信光源的半导体
激光器 260
10．1．2　半导体激光器在光纤通信中的
应用与发展 262
10．2　光放大器 263
10．2．1　半导体光放大器 263
10．2．2　光纤放大器 265
10．2．3　半导体光放大器和光纤放大器
的比较 268
10．3　光纤激光器 269
10．3．1　掺杂光纤激光器 270
10．3．2　其他类型的光纤激光器 273
10．4　光子晶体激光器 274
10．4．1　光子晶体 274
10．4．2　光子晶体激光器 276
10．4．3　光子晶体激光器的应用前景 278
10．5　用于无线激光通信的激光器 279
10．5．1　无线激光通信 279
10．5．2　用于无线激光通信的激光器 280
10．6　光通信系统设计与实例 281
10．6．1　光纤通信系统的设计 281
10．6．2　空间光通信系统设计实例 286
习题与思考题十 287
第11章　激光全息技术 288
11．1　激光全息技术的原理和分类 288
11．1．1　激光全息的原理 288
11．1．2　全息照相的特点 290
11．1．3　激光全息技术的分类 291
11．2　白光再现的全息技术 292
11．2．1　白光反射全息 292
11．2．2　像面全息 292
11．2．3　彩虹全息 293
11．2．4　真彩色全息 295
11．3　几种特殊的全息技术 295
11．3．1　计算全息 295
11．3．2　数字全息 296
11．3．3　合成全息 297
11．3．4　激光超声全息 299
11．3．5　瞬态全息 300
11．4　激光全息技术的应用 300
11．4．1　全息显示和全息电影 300
11．4．2　全息干涉计量 301
11．4．3　全息显微技术 303
11．4．4　全息光学元件 303
11．4．5　全息技术的其他应用 306
习题与思考题十一 306
第12章　激光与物质的相互作用 307
12．1　激光在物质中的传播 307
12．1．1　激光在物质中的传播和吸收 307
12．1．2　激光的散射 308
12．2　激光在晶体中的非线性光学现象 309
12．2．1　倍频光的产生 310
12．2．2　相位匹配 310
12．3　激光对物质的加热与蒸发 311
12．3．1　激光热蒸发 311
12．3．2　光化学效应激光蒸发 312
12．4　激光诱导化学过程 312
12．4．1　激光切断分子 313
12．4．2　激光引起的多光子吸收 314
12．4．3　液体、固体的光化学反应 314
习题与思考题十二 314
第13章　激光在其他领域的应用 315
13．1　激光在信息领域的应用 315
13．1．1　激光存储 315
13．1．2　激光计算机 321
13．1．3　激光扫描 324
13．1．4　激光打印机 325
13．2　激光在工业领域的应用 325
13．2．1　激光在精密计量中的应用 325
13．2．2　激光在材料加工中的应用 332
13．3　激光在生物医学领域的应用 336
13．3．1　激光与生物体的相互作用 336
13．3．2　激光在生物体检测及诊断中的
应用 338
13．3．3　激光医疗 340
13．3．4　医用激光光源 344
13．4　激光在国防科技领域的应用 345
13．4．1　激光测距 345
13．4．2　激光雷达 347
13．4．3　激光制导 347
13．4．4　激光陀螺 348
13．4．5　激光武器 349
13．5　激光在科学技术前沿中的应用 351
13．5．1　激光光谱学 351
13．5．2　激光核聚变 354
13．5．3　超短脉冲激光技术 357
13．5．4　激光冷却与原子捕陷 358
13．5．5　利用激光操纵微粒 361
习题与思考题十三 361
附录A　典型气体激光器基本实验数据 363
附录B　典型固体激光介质参数 364
参考文献 365