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第一篇 气体激光器 2

第一章 气体激光器的放电激励基础 2

1.1 气体放电的基本过程 2

1.1.1 气体放电粒子的种类及其相互作用 2

1.1.2 气体放电的基本参量 5

1.1.3 气体放电的形式 8

1.2 气体放电中的选择激发过程 11

1.2.1 共振激发能量转移 11

1.2.2 电荷转移 13

1.2.3 潘宁效应 13

1.2.4 电子碰撞 13

1.3 气体激光器的整机效率和其他激励方式 14

1.3.1 气体激光器的整机效率 14

1.3.2 气体激光器的其他激励方式 15

练习与思考题 16

第二章 原子气体激光器 17

2.1 氦氖激光器的工作原理 17

2.1.1 氦氖激光器的基本结构 17

2.1.2 氦氖原子的能级结构 19

2.1.3 粒子数反转分布的建立过程 21

2.2 氦氖激光器的工作特性 23

2.2.1 氦氖激光器速率方程组 24

2.2.2 增益与放电条件的关系 24

2.2.3 增益曲线和增益饱和 27

2.3 氦氖激光器的输出特性 29

2.3.1 氦氖激光器的输出功率 29

2.3.2 氦氖激光束的发散角 34

2.3.3 氦氖激光的偏振特性 34

2.3.4 氦氖激光的频率特性 35

2.4 氦氖激光器的设计 38

2.4.1 放电管长度和谐振腔长度 39

2.4.2 反射镜曲率半径 39

2.4.3 放电管内径 41

2.4.4 最佳透过率 41

2.4.5 设计举例 42

2.5 其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器 42

2.5.1 其他形式的氦氖激光器 43

2.5.2 其他惰性气体原子激光器 45

2.6 金属蒸气原子激光器 46

2.6.1 自终止跃迁激光器 46

2.6.2 铜蒸气原子激光器 48

2.6.3 其他金属蒸气原子激光器 52

练习与思考题 55

第三章 分子气体激光器 57

3.1 普通型二氧化碳分子激光器的激励机理 57

3.1.1 二氧化碳分子能级结构 57

3.1.2 粒子数反转分布的建立 60

3.2 普通型二氧化碳分子激光器的工作特性 65

3.2.1 普通型二氧化碳分子激光器的结构 66

3.2.2 普通型二氧化碳分子激光器的工作特性 67

3.2.3 辅助气体 71

3.3 普通型二氧化碳分子激光器的输出特性 72

3.3.1 输出功率 72

3.3.2 频谱特性 76

3.3.3 选支原理 80

3.4 中小型二氧化碳分子激光器的设计 84

3.4.1 放电管长度和腔长 84

3.4.2 腔镜曲率半径 84

3.4.3 放电管直径 84

3.4.4 输出镜最佳透过率Topt 84

3.4.5 估计功率P 85

3.5 流动型二氧化碳分子激光器 85

3.5.1 流动型二氧化碳分子激光器的工作特性 85

3.5.2 流动型二氧化碳分子激光器的分类 86

3.6 横向激励高气压型二氧化碳分子激光器 88

3.6.1 TEACO2分子激光器的特点 88

3.6.2 TEACO2分子激光器的工作特性 89

3.6.3 高气压均匀辉光放电技术 93

3.6.4 紫外预电离TEACO2分子激光器 94

3.7 气动型二氧化碳分子激光器 95

3.7.1 气动CO2分子激光器的工作原理 95

3.7.2 气动CO2分子激光器的结构 96

3.7.3 气动CO2分子激光器的工作特性 97

3.8 准分子激光器 99

3.8.1 准分子概念及其能级结构 100

3.8.2 XeF激光器的工作原理 101

3.8.3 快放电激励XeF准分子激光器 102

3.8.4 电子束激励XeF准分子激光器 104

3.9 光泵远红外分子激光器 105

3.9.1 光泵浦概念 105

3.9.2 光泵远红外分子激光器基本原理 106

3.9.3 谐振腔构型 106

3.10 氮分子激光器 108

3.10.1 氮分子激光器激发机理 109

3.10.2 氮分子激光器的激励电路 111

3.10.3 氮分子激光器的输出特性 112

练习与思考题 115

第四章 气体离子激光器 117

4.1 氩离子激光器 117

4.1.1 氩离子的能级结构和激发机理 117

4.1.2 氩离子激光器的结构 119

4.1.3 氩离子激光器的工作特性 121

4.2 氦-镉离子激光器 124

4.2.1 镉离子的能级结构和激发 125

4.2.2 氦-镉离子激光器的结构 126

4.2.3 氦-镉离子激光器的工作特性 127

4.3 其他金属蒸气离子激光器 129

4.3.1 砷金属蒸气离子激光器 129

4.3.2 氩-氪离子激光器 129

4.3.3 氪离子激光器 130

4.3.4 氦-镉-汞离子激光器 130

4.3.5 氦-铅离子激光器 130

练习与思考题 130

第二篇 固体激光器 132

第五章 固体激光器的基本特性 132

5.1 固体激光器的基本原理 132

5.1.1 固体激光器的基本结构 132

5.1.2 固体激光器的能量转换 133

5.2 固体激光器的基本特性 134

5.2.1 固体激光器的阈值 134

5.2.2 固体激光器的增益饱和和饱和光强 135

5.2.3 固体激光器的弛豫振荡 135

5.2.4 固体激光器的输出光束质量 137

5.2.5 固体激光器的光谱特性 137

5.2.6 固体激光器的偏振特性 138

练习与思考题 138

第六章 固体激光器工作物质的性质 139

6.1 固体激光器对工作物质的基本要求 139

6.1.1 基质材料 139

6.1.2 激活离子 141

6.2 红宝石晶体 142

6.2.1 红宝石晶体的物理性质 142

6.2.2 红宝石晶体的激光性质 143

6.3 掺钕钇铝石榴石晶体 145

6.3.1 掺钕钇铝石榴石晶体的物理性质 145

6.3.2 掺钕钇铝石榴石晶体的激光性质 146

6.4 钕玻璃 148

6.4.1 钕玻璃的物理性质 148

6.4.2 钕玻璃的激光性质 148

6.5 其他固体激光工作物质 150

6.5.1 激光陶瓷 150

6.5.2 掺铒钇铝石榴石晶体 153

6.5.3 掺钬钇铝石榴石晶体 153

6.5.4 掺钕铝酸钇晶体 154

6.5.5 掺钛蓝宝石晶体 155

练习与思考题 157

第七章 固体激光器的光泵浦系统 158

7.1 泵浦光源 158

7.1.1 惰性气体放电灯 158

7.1.2 卤钨灯 161

7.1.3 激光二极管 161

7.1.4 太阳光 162

7.2 聚光腔 162

7.2.1 泵浦方式与聚光腔结构 162

7.2.2 聚光腔的能量传输特性 165

7.3 泵浦光源的供电系统 165

7.3.1 脉冲氙灯的供电系统 165

7.3.2 连续氪弧光灯的供电系统 170

练习与思考题 171

第八章 固体激光器的热效应及补偿 172

8.1 固体激光工作物质的热效应 172

8.1.1 连续固体激光器的热效应 172

8.1.2 单脉冲固体激光器的热效应 176

8.1.3 重复率脉冲固体激光器的热效应 176

8.2 固体激光器的散热 177

8.2.1 冷却技术 177

8.2.2 光学补偿方法 179

8.2.3 采用非圆柱形工作物质 179

练习与思考题 180

第九章 固体激光器谐振腔 181

9.1 光学谐振腔的模参数 181

9.1.1 谐振腔的变换矩阵 181

9.1.2 谐振腔的稳定性条件 182

9.2 类透镜介质对激光束的变换 182

9.2.1 类透镜介质 182

9.2.2 类透镜介质对激光束的变换矩阵 183

9.3 热稳腔 185

9.3.1 热稳条件 185

9.3.2 几种典型的热稳腔 187

练习与思考题 190

第三篇 半导体激光器 192

第十章 半导体激光器的工作原理 192

10.1 半导体物理基础 192

10.1.1 半导体的能带结构 192

10.1.2 电子在能带之间的跃迁 194

10.1.3 辐射复合与非辐射复合 195

10.1.4 PN结的能带结构 198

10.2 半导体激光器的工作原理 201

10.2.1 半导体激光器的粒子数反转分布条件 202

10.2.2 半导体激光器有源介质的增益系数 203

10.2.3 阈值增益 205

10.2.4 光子反馈方式 205

练习与思考题 206

第十一章 半导体激光器的基本构型 207

11.1 异质结激光器 207

11.1.1 异质结的构型和主要性质 208

11.1.2 单异质结激光器 212

11.1.3 双异质结激光器 214

11.1.4 条形结激光器 216

11.2 量子阱激光器 217

11.2.1 量子阱 217

11.2.2 量子阱激光器 218

11.2.3 应变量子阱激光器 220

11.3 其他结构的半导体激光器 222

11.3.1 分布反馈和分布布拉格反射半导体激光器 222

11.3.2 垂直腔表面发射激光器 223

11.3.3 微碟半导体激光器 224

练习与思考题 225

第十二章 半导体激光器的输出特性 226

12.1 半导体激光器的转换效率 226

12.1.1 功率效率 226

12.1.2 量子效率 227

12.2 半导体激光器的空间模式 228

12.2.1 垂直方向发散角 228

12.2.2 平行方向发散角 229

12.2.3 半导体激光器的像散 230

12.3 半导体激光器的纵模 231

12.3.1 纵模模谱 231

12.3.2 影响纵模谱的因素 232

12.3.3 纵模与横模之间的关系 234

12.3.4 LD的光谱线宽 234

12.4 半导体激光器的动态特性 236

12.4.1 速率方程 236

12.4.2 接通延迟和弛豫振荡 237

12.4.3 调制特性 238

12.4.4 噪声特性 239

练习与思考题 240

第四篇 其他激光器 242

第十三章 液体激光器 242

13.1 有机染料分子的光吸收和光发射 242

13.1.1 染料分子的能级结构 242

13.1.2 染料分子的光吸收和光发射 245

13.2 脉冲染料激光器 245

13.2.1 粒子数反转分布的建立 246

13.2.2 脉冲激光泵浦染料激光器 247

13.3 连续染料激光器 251

13.3.1 染料激光器连续工作条件 251

13.3.2 连续染料激光器的阈值泵浦功率密度 251

13.3.3 典型的连续波染料激光器 252

13.4 无机液体激光器 254

13.4.1 激光机理 254

13.4.2 无机液体激光器的结构和特性 255

练习与思考题 255

第十四章 化学激光器 256

14.1 化学激光器的工作原理 256

14.1.1 化学激光器的特点 256

14.1.2 化学激光器的激发机理 257

14.2 氟化氢化学激光器 258

14.2.1 粒子数反转分布机理 259

14.2.2 连续波氟化氢化学激光器的结构和特性 260

14.2.3 脉冲氟化氢化学激光器的结构和特性 263

14.3 氧碘化学激光器 263

14.3.1 氧碘化学激光器的激光跃迁及工作原理 264

14.3.2 氧碘化学激光器的结构和特性 264

14.3.3 化学氧碘激光器的发展 267

练习与思考题 268

第十五章 自由电子激光器 269

15.1 自由电子激光器的工作原理 269

15.1.1 自由电子激光器的结构 269

15.1.2 自由电子光辐射的产生 271

15.1.3 自由电子激光的产生 274

15.2 自由电子激光器的主要类型 275

15.2.1 磁韧致自由电子激光器 275

15.2.2 史密斯-珀塞尔自由电子激光器 277

15.2.3 受激喇曼自由电子激光器 278

练习与思考题 279

第十六章 光纤激光器 280

16.1 光纤激光器的工作原理 280

16.1.1 光纤激光器的激光过程 280

16.1.2 光纤激光器的谐振腔 281

16.2 光纤激光器的类型 283

16.2.1 掺稀土元素光纤激光器 283

16.2.2 单晶光纤激光器 284

16.2.3 塑料光纤激光器 284

16.2.4 光纤喇曼激光器 285

练习与思考题 285

参考文献 286