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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 高方向性3

1.2.2 单色性4

1.2.3 相干性5

1.2.4 高亮度7

1.3 激光应用简介8

习题与思考题一12

第2章 激光产生的基本原理13

2.1 原子发光的机理13

2.1.1 原子的结构13

2.1.2 原子的能级13

2.1.3 原子发光的机理14

2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收15

2.2.1 自发辐射15

2.2.2 受激辐射16

2.2.3 受激吸收17

2.2.4 三个爱因斯坦系数之间的关系17

2.3 激光产生的条件19

2.3.1 受激辐射光放大19

2.3.2 集居数反转19

2.3.3 激活粒子的能级系统20

2.3.4 光的自激振荡22

2.4 激光器的基本组成与分类24

2.4.1 激光器的基本组成24

2.4.2 激光工作物质24

2.4.3 泵浦源24

2.4.4 光学谐振腔25

2.4.5 激光器的分类26

习题与思考题二28

第3章 光学谐振腔与激光模式30

3.1 光学谐振腔的构成和分类31

3.1.1 光学谐振腔的构成和分类31

3.1.2 典型开放式光学谐振腔32

3.2 激光模式33

3.2.1 驻波与谐振频率34

3.2.2 纵模35

3.2.3 横模36

3.3 光学谐振腔的损耗37

3.3.1 光腔的损耗37

3.3.2 光子在腔内的平均寿命40

3.3.3 无源腔的品质因数——Q值41

3.4 光学谐振腔的稳定性条件42

3.4.1 腔内光线往返传播的矩阵表示42

3.4.2 共轴球面腔的稳定性条件46

3.4.3 临界腔49

3.5 光学谐振腔的衍射理论基础50

3.5.1 自再现模50

3.5.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射积分52

3.5.3 自再现模积分方程53

3.5.4 自再现模积分方程解的物理意义54

3.6 平行平面腔的自再现模55

3.6.1 平行平面镜腔的自再现模积分方程56

3.6.2 平行平面腔模的数值迭代解法57

3.6.3 单程衍射损耗、单程相移与谐振频率58

3.7 对称共焦腔的自再现模60

3.7.1 方形镜对称共焦腔60

3.7.2 圆形镜共焦腔69

3.8 一般稳定球面腔的模式理论71

3.8.1 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性72

3.8.2 一般稳定球面腔的模式特征73

3.9 非稳定谐振腔75

3.9.1 非稳腔的基本结构75

3.9.2 非稳腔的几何自再现波型77

3.9.3 非稳腔的几何放大率78

3.9.4 非稳腔的能量损耗79

3.9.5 非稳腔的输出耦合方式80

3.9.6 非稳腔的主要特点81

习题与思考题三82

第4章 高斯光束84

4.1 高斯光束的基本性质84

4.1.1 高斯光束84

4.1.2 高斯光束的基本性质86

4.1.3 高斯光束的特征参数88

4.2 高斯光束的传输与变换规律89

4.2.1 高斯光束的传输与变换规律90

4.2.2 实例分析92

4.3 高斯光束的聚焦和准直94

4.3.1 高斯光束的聚焦94

4.3.2 高斯光束的准直96

4.4 高斯光束的自再现变换98

4.4.1 利用薄透镜实现自再现变换99

4.4.2 球面反射镜对高斯光束的自再现变换99

4.5 高斯光束的匹配100

4.6 激光束质量因子102

习题与思考题四103

第5章 激光工作物质的增益特性106

5.1 谱线加宽与线型函数106

5.1.1 谱线加宽概述106

5.1.2 光谱线加宽的机理107

5.1.3 均匀加宽、非均匀加宽和综合加宽114

5.2 速率方程116

5.2.1 对自发辐射、受激辐射、受激吸收概率的修正116

5.2.2 单模振荡速率方程119

5.2.3 多模振荡速率方程121

5.3 均匀加宽激光工作物质对光的增益122

5.3.1 增益系数122

5.3.2 反转集居数饱和124

5.3.3 增益饱和126

5.4 非均匀加宽激光工作物质对光的增益128

5.4.1 增益饱和129

5.4.2 烧孔效应130

习题与思考题五132

第6章 激光器的工作特性135

6.1 连续与脉冲工作方式135

6.1.1 短脉冲运转136

6.1.2 长脉冲和连续运转137

6.2 激光器的振荡阈值137

6.2.1 阈值增益系数137

6.2.2 阈值反转集居数密度138

6.2.3 阈值泵浦功率和能量139

6.3 激光器的振荡模式141

6.3.1 起振纵模数141

6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式142

6.3.3 非均匀加宽激光器的输出模式144

6.4 连续激光器的输出功率145

6.4.1 均匀加宽单模激光器的输出功率145

6.4.2 非均匀加宽单模激光器的输出功率147

6.4.3 多模激光器148

6.5 脉冲激光器的工作特性149

6.5.1 短脉冲激光器的输出能量149

6.5.2 弛豫振荡149

习题与思考题六151

第7章 激光特性的控制与改善153

7.1 模式选择153

7.1.1 横模选择153

7.1.2 纵模选择156

7.2 稳频技术159

7.2.1 频率的稳定性159

7.2.2 稳频方法160

7.3 调Q技术165

7.3.1 调Q激光器工作原理166

7.3.2 Q调制方法168

7.3.3 调Q激光器基本理论172

7.4 超短脉冲技术176

7.4.1 锁模原理176

7.4.2 锁模方法179

7.4.3 均匀加宽激光器主动锁模自洽理论184

7.4.4 阿秒激光的产生与测量186

7.5 激光调制技术188

7.5.1 激光调制的基本概念188

7.5.2 电光调制、声光调制和磁光调制192

7.5.3 直接调制195

7.6 激光偏转技术196

7.6.1 机械偏转197

7.6.2 电光偏转197

7.6.3 声光偏转198

7.7 光电器件设计及参数选用原则199

7.7.1 电光调制器的设计199

7.7.2 电光调Q激光器的设计199

7.7.3 声光调制器的设计201

习题与思考题七202

第8章 典型激光器204

8.1 固体激光器204

8.1.1 固体激光器的基本结构和泵浦方式204

8.1.2 红宝石激光器206

8.1.3 钕激光器207

8.1.4 掺钛蓝宝石激光器209

8.2 气体激光器210

8.2.1 气体激光器的泵浦方式211

8.2.2 氦氖激光器211

8.2.3 二氧化碳激光器213

8.2.4 氩离子激光器215

8.3 染料激光器216

8.3.1 染料激光器的泵浦方式与基本结构217

8.3.2 染料激光器的工作原理218

8.4 新型激光器219

8.4.1 准分子激光器219

8.4.2 自由电子激光器221

8.4.3 化学激光器222

8.4.4 声子激光器224

习题与思考题八226

第9章 半导体激光器227

9.1 半导体激光器物理基础228

9.1.1 半导体的能带结构和电子状态228

9.1.2 半导体中载流子的分布与复合发光230

9.1.3 PN结234

9.1.4 半导体激光材料235

9.2 半导体激光器的工作原理235

9.2.1 半导体激光器受激发光条件236

9.2.2 半导体激光器有源介质的增益系数237

9.2.3 阈值条件238

9.2.4 半导体激光器的速率方程及其稳态解239

9.3 半导体激光器有源区对载流子和光子的限制240

9.3.1 异质结半导体激光器240

9.3.2 量子阱激光器243

9.3.3 光约束因子245

9.4 半导体激光器的谐振腔结构246

9.4.1 FP腔半导体激光器246

9.4.2 分布反馈式半导体激光器与布喇格反射式半导体激光器247

9.4.3 垂直腔表面发射半导体激光器251

9.5 半导体激光器的特性253

9.5.1 阈值特性253

9.5.2 半导体激光器的效率与输出功率254

9.5.3 半导体激光器的输出模式255

9.5.4 动态特性258

习题与思考题九261

第10章 光通信系统中的激光器和放大器262

10.1 半导体激光器在光纤通信中的应用262

10.1.1 作为光纤通信光源的半导体激光器262

10.1.2 半导体激光器在光纤通信中的应用与发展264

10.2 光放大器265

10.2.1 半导体光放大器265

10.2.2 光纤放大器267

10.2.3 半导体光放大器和光纤放大器的比较271

10.3 光纤激光器272

10.3.1 掺杂光纤激光器273

10.3.2 其他类型的光纤激光器276

10.4 光子晶体激光器278

10.4.1 光子晶体278

10.4.2 光子晶体激光器279

10.4.3 光子晶体激光器的应用前景282

10.5 用于无线激光通信的激光器282

10.5.1 无线激光通信283

10.5.2 用于无线激光通信的激光器284

10.6 光通信系统设计与实例285

10.6.1 光纤通信系统的设计285

10.6.2 空间光通信系统设计实例290

习题与思考题十292

第11章 激光全息技术293

11.1 激光全息技术的原理和分类293

11.1.1 激光全息的原理293

11.1.2 全息照相的特点296

11.1.3 激光全息技术的分类296

11.2 白光再现的全息技术297

11.2.1 白光反射全息297

11.2.2 像面全息298

11.2.3 彩虹全息299

11.2.4 真彩色全息300

11.3 几种特殊的全息技术301

11.3.1 计算全息301

11.3.2 数字全息301

11.3.3 合成全息302

11.3.4 激光超声全息305

11.3.5 瞬态全息306

11.4 激光全息技术的应用306

11.4.1 全息显示和全息电影306

11.4.2 全息干涉计量307

11.4.3 全息显微技术309

11.4.4 全息光学元件310

11.4.5 全息技术的其他应用312

习题与思考题十一313

第12章 激光与物质的相互作用314

12.1 激光在物质中的传播314

12.1.1 激光在物质中的传播和吸收314

12.1.2 激光的散射315

12.2 激光在晶体中的非线性光学现象316

12.2.1 倍频光的产生317

12.2.2 相位匹配317

12.3 激光对物质的加热与蒸发318

12.3.1 激光热蒸发318

12.3.2 光化学效应激光蒸发319

12.4 激光诱导化学过程320

12.4.1 激光切断分子320

12.4.2 激光引起的多光子吸收321

12.4.3 液体、固体的光化学反应321

习题与思考题十二322

第13章 激光在其他领域的应用323

13.1 激光在信息领域的应用323

13.1.1 激光存储323

13.1.2 激光计算机329

13.1.3 激光扫描333

13.1.4 激光打印机334

13.2 激光在工业领域的应用334

13.2.1 激光在精密计量中的应用335

13.2.2 激光在材料加工中的应用341

13.3 激光在生物医学领域的应用346

13.3.1 激光与生物体的相互作用346

13.3.2 激光在生物体检测及诊断中的应用348

13.3.3 激光医疗351

13.3.4 医用激光光源355

13.4 激光在国防科技领域的应用356

13.4.1 激光测距356

13.4.2 激光雷达357

13.4.3 激光制导358

13.4.4 激光陀螺359

13.4.5 激光武器360

13.5 激光在科学技术前沿中的应用362

13.5.1 激光光谱学362

13.5.2 激光核聚变365

13.5.3 超短脉冲激光技术369

13.5.4 激光冷却与原子捕陷370

13.5.5 利用激光操纵微粒373

习题与思考题十三374

附录A 典型气体激光器基本实验数据375

附录B 典型固体激光工作物质参数376

参考文献377