激光原理与技术PDF电子书下载

绪论 1

第1章　激光的基本原理及其特性 3

1.1　激光的特性 3

1.1.1　单色性与时间相干性 3

1.1.2　方向性与空间相干性 4

1.1.3　高亮度 4

1.1.4　高阶相关 5

1.2　激光产生的必要条件 5

1.2.1　二能级系统的三种跃迁 5

1.2.2　激光产生的必要条件 8

1.3　激光产生的充分条件 9

1.3.1　饱和光强的概念 9

1.3.2　饱和光强的简单计算 10

1.3.3　产生激光的充分条件 10

1.4　谱线加宽 12

1.4.1　概述 13

1.4.2　均匀加宽 14

1.4.3　非均匀加宽 15

1.5　谱线加宽下的增益系数 17

1.6　激光器的速率方程 18

1.6.1　速率方程的建立 18

1.6.2　速率方程的稳态解 19

1.6.3　反转粒子数及增益饱和 20

1.7　连续与脉冲工作 21

1.7.1　固体三能级系统速率方程组 21

1.7.2　速率方程的解 23

1.7.3　激光器的工作状态 24

1.8　粒子数反转分布条件 25

1.8.1　稳态工作情况 25

1.8.2　瞬态工作情况 26

1.9　激光放大的阈值条件 27

1.9.1 阈值增益系数和粒子数 27

1.9.2　连续／长脉冲光泵阈值功率 28

1.9.3　短脉冲工作 28

1.10　均匀加宽激光器的模竞争和频率牵引 29

1.10.1　均匀加宽激光器的模竞争 29

1.10.2　频率牵引 30

1.11　激光器的输出特性 31

1.11.1　均匀加宽连续激光器的输出功率 31

1.11.2　脉冲激光器的输出能量 32

1.12　激光器的泵浦技术 33

1.12.1　直接泵浦 33

1.12.2　间接泵浦 34

第2章　光学谐振腔理论 37

2.1　光学谐振腔的基本知识 38

2.1.1　光学谐振腔的构成和分类 38

2.1.2　光学谐振腔的作用 39

2.1.3　腔模 39

2.2　光学谐振腔的损耗 43

2.2.1　光腔的损耗及其描述 43

2.2.2　光子在腔内的平均寿命 47

2.2.3　无源腔的品质因数——Q值 48

2.2.4　无源腔的单模线宽 48

2.3　光学谐振腔的稳定性条件 49

2.3.1　光线传播的矩阵表示 49

2.3.2　共轴球面腔的稳定性条件 54

2.3.3　稳区图 55

2.4　谐振腔的衍射积分理论 56

2.4.1　菲涅耳-基尔霍夫衍射积分 56

2.4.2 自再现模所应满足的积分方程式 58

2.4.3　积分方程解的物理意义 59

2.5　平行平面腔的自再现模 60

2.5.1　平行平面腔的模式积分方程 61

2.5.2　平行平面腔模的数值迭代解法 62

2.6　对称共焦腔的自再现模 65

2.6.1　方形球面镜共焦腔模式积分方程及其解 65

2.6.2　方形球面镜共焦腔自再现模的特征 67

2.6.3　方形球面镜共焦腔的行波场 71

2.6.4　圆形球面镜共焦腔 74

2.7　一般稳定球面腔的模式理论 76

2.7.1　等价共焦腔 77

2.7.2　一般稳定球面腔的模式特征 78

2.8　高斯光束 81

2.8.1　高斯光束的基本性质 81

2.8.2　高斯光束的q参数 83

2.8.3　高斯光束q参数的变换规律 84

2.8.4　ABCD定律在谐振腔中的应用 87

2.9　非稳腔的模式理论 88

2.9.1　非稳腔的几何自再现波型 88

2.9.2　非稳腔的几何放大率 90

2.9.3　非稳腔的能量损耗率 92

第3章　典型激光器 94

3.1 概述 94

3.1.1　激光器的基本结构 94

3.1.2　激光器的分类及其主要输出特性 95

3.2　气体激光器 98

3.2.1　气体放电激励基础 98

3.2.2　He-Ne激光器 102

3.2.3　CO2激光器 112

3.3　固体激光器 131

3.3.1　固体工作物质 131

3.3.2　光泵浦系统 139

3.3.3　工作物质的热效应及其散热 151

3.3.4　掺钛蓝宝石激光器 156

3.4　染料激光器 160

3.4.1　染料激光器的工作原理 161

3.4.2　染料激光器的泵浦方式与典型器件结构 165

第4章　半导体激光器 168

4.1　半导体的能带结构和电子状态 168

4.1.1　能带概念的引入 168

4.1.2　半导体中的电子状态 169

4.2　激发与复合辐射 171

4.2.1　直接跃迁和半导体激光材料 171

4.2.2　态密度和电子的激发 172

4.2.3　非本征半导体材料——pn结 174

4.3　激光振荡条件 175

4.3.1　半导体中的光增益 175

4.3.2　损耗和阈值振荡条件 177

4.4　异质结半导体激光器 178

4.4.1　异质结 178

4.4.2　激光器的结构 180

4.5　半导体激光的波长与线宽 181

4.5.1　半导体激光的波长 181

4.5.2　线宽与频率控制 182

4.6　半导体激光器当前发展趋势 183

4.6.1　大功率半导体激光器 183

4.6.2　表面发射激光器 185

4.7　半导体激光的应用 187

4.7.1　概述 187

4.7.2　半导体激光器在各种CD盘中的应用 188

4.7.3　半导体激光器在光纤通信中的应用 189

第5章　激光调制技术 192

5.1　调制的基本概念 192

5.1.1　振幅调制 193

5.1.2　频率调制和相位调制 193

5.1.3　强度调制 195

5.1.4　脉冲调制 196

5.1.5　脉冲编码调制 196

5.2 电光调制 197

5.2.1　电光调制的物理基础 197

5.2.2　电光强度调制 202

5.2.3　电光相位调制 207

5.2.4　电光调制器的电学性能 208

5.2.5　设计电光调制器应考虑的问题 211

5.3　声光调制 212

5.3.1　声光调制的物理基础 212

5.3.2　声光相互作用的两种类型 213

5.3.3　声光体调制器 218

5.3.4　声光调制器设计应考虑的问题 221

5.4　磁光调制 223

5.4.1　磁光调制的物理基础 223

5.4.2　磁光体调制器 224

5.5　直接调制 225

5.5.1　半导体激光器（LD）直接调制的原理 225

5.5.2　半导体光源的模拟调制 226

5.5.3　半导体光源的PCM数字调制 227

第6章　调Q技术与锁模技术 228

6.1 调Q技术 228

6.1.1　调Q的基本理论 228

6.1.2　调Q激光器的速率方程 233

6.1.3　电光调Q 240

6.1.4　可饱和吸收调Q 248

6.1.5　声光调Q 253

6.1.6　机械转镜调Q 255

6.2　锁模技术 257

6.2.1　锁模的基本理论 257

6.2.2　实现锁模的主要方法 261

6.2.3　主动锁模原理与器件 262

6.2.4　被动锁模原理与器件 267

6.2.5　同步泵浦锁模原理与器件 271

6.2.6　自锁模原理与器件 272

第7章　激光频率变换技术 275

7.1　介质的非线性极化 275

7.1.1　非线性极化概述 275

7.1.2　非线性极化率张量的性质 278

7.1.3　倍频极化率张量 280

7.1.4　有效倍频极化率 285

7.2　非线性耦合波方程 287

7.2.1　非线性波动方程 288

7.2.2　耦合波振幅方程 288

7.3　光学倍频 292

7.3.1　光学倍频的基本描述 292

7.3.2　光学倍频的理论分析 292

7.3.3　高转换效率情况下的光学倍频 300

7.3.4　倍频过程中的能量守恒和动量守恒 302

7.3.5　光学倍频的实验系统 303

7.4　光学和频与差频效应 306

7.5　光学参量振荡与放大 309

7.5.1　光学参量效应的描述 309

7.5.2　光学参量放大效应 310

7.5.3　光学参量振荡器 312

参考文献 316