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第一篇 气体激光器 1

概述 1

第一章 气体激光器放电激励的基本原理 3

1.1.1 气体放电现象 3

一、放电的形式 3

二、辉光放电的光区分布 4

三、着火电压 5

四、阴极溅射 6

1.1.2 气体放电的基本过程 7

一、粒子碰撞的基本规律 7

二、气体放电中的激发过程 9

三、带电粒子在气体中的运动 11

1.1.3 正柱区的理论分析 12

一、带电粒子的浓度分布 13

二、电子温度 13

第二章 原子激光器 17

1.2.1 氦-氖激光器的工作原理 18

一、激发机理 18

二、激光上、下能级粒子数和增益 20

三、增益线型和增益饱和 22

1.2.2 氦-氖激光器的输出功率 24

一、输出功率公式 24

二、最佳充气情况和最佳放电电流 26

三、透过率和损耗对输出功率的影响 30

四、谱线竞争效应对输出功率的影响 30

1.2.3 模式和发散角 32

一、横模 32

二、单横模运转 33

三、多模振荡带宽 34

四、单纵模运转 35

五、发散角 36

六、远场发散角和光斑尺寸的测量 37

1.2.4 氦-氖激光器的设计 40

一、主要几何尺寸的确定 40

二、激光器的结构设计 45

1.2.5 氦-氖激光器的放电特性与电源 46

1.2.6 其它原子激光器简介 48

第三章 分子激光器 50

1.3.1 普通CO2激光器的工作原理 51

一、CO2分子的振-转能级和光谱 51

二、能级寿命和弛豫过程 54

三、激发过程 56

1.3.2 普通CO2激光器的工作特性 58

一、增益系数和饱和强度 58

二、输出功率 62

三、输出激光频谱和转动竞争效应 66

四、器件寿命 67

1.3.3 器件设计 68

一、基模激光器的设计 68

二、多模激光器设计原则 70

1.3.4 波导二氧化碳激光器 70

一、波导激光器的主要特点 71

二、光在空心介质波导中的传播 71

三、波导谐振腔 72

四、频率调谐宽度 73

五、冷却问题 74

六、射频激励CO2波导激光器 74

1.3.5 横向激励大气压CO2激光器 75

一、单放电方法 76

二、双放电的方法（预电离技术） 76

三、电子束控制放电方法 77

1.3.6 氮分子激光器 78

一、工作原理 78

二、器件结构 79

1.3.7 准分子激光器 81

一、快放电激励XeF*激光器 82

二、电子束激励XcF*激光器 86

第四章 离子激光器 88

1.4.1 氩离子激光器 88

一、激发机理 88

二、激光器结构 90

三、工作特性 91

1.4.2 氦-镉离子激光器 94

一、工作原理 94

二、激光器结构 96

三、正柱区He-Cd激光器的工作特性 97

主要参考资料 98

第二篇 固体激光器 99

概述 99

第一章 固体激光器的基本结构和输出特性 100

2.1.1 固体激光器的基本结构及能量转换 100

2.1.2 固体激光器的阀值 102

一、固体激光器的损耗 102

二、固体激光器的阈值 103

2.1.3 输出能量（或功率）、效率和最佳透过率 106

一、输出能量（或功率）和效率 106

二、最佳透过率 109

2.1.4 固体激光器输出的稳定性、光谱特性、偏振特性和方向性 110

一、固体激光输出的稳定性 110

二、光谱特性 112

三、激光束的方向性 114

四、激光的偏振特性 114

第二章 固体工作物质 115

2.2.1 基本概念及要求 115

一、对工作物质的要求 115

二、激活离子和基质 116

三、掺杂浓度 117

四、双掺与敏化 117

五、工作物质的劣化 117

六、工作物质的破坏 118

七、激光棒的几何尺寸及加工要求 119

2.2.2 红宝石 120

一、红宝石晶体的结构及其理化性质 120

二、能级结构与光谱特性 120

三、温度对红宝石性能的影响 122

2.2.3 掺钕钇铝石榴石（Nd3+：YAG） 124

2.2.4 钕玻璃 127

2.2.5 其它固体工作物质 129

2.2.6 固体工作物质的质量及其检验 130

一、光学均匀性 130

二、散射颗粒及其检验方法 131

三、消光比 132

四、工作物质的内部损耗系数 134

第三章 泵浦光源 135

2.3.1 基本要求及主要的泵浦光源 135

一、惰性气体放电灯 135

二、金属蒸气放电灯 136

三、白炽灯 136

四、半导体光泵 136

五、日光泵 136

2.3.2 气体灯的放电过程 137

2.3.3 气体灯的输出特性及效率 138

一、脉冲灯的光辐射输出波形及电光转换效率 138

二、气体灯的输出光谱 139

三、影响气体灯输出的主要因素 139

2.3.4 气体灯的技术参数与工作寿命 143

2.3.5 气体灯的触发与预燃 146

2.3.6 气体灯的电学性质及其放电回路 148

一、电学性质 148

二、气体灯的放电回路 148

2.3.7 储能电容的充电回路和连续弧光灯电源 153

第四章 冷却、滤光及聚光系统 159

2.4.1 冷却与滤光 159

一、冷却 159

二、滤光 161

2.4.2 聚光器 162

一、泵浦方式及聚光器类型 162

二、聚光器材料的选择 165

三、聚光器反射表面的选择 165

四、聚光效率 166

五、泵浦光在激光棒内的分布 170

六、聚光器结构设计的一些考虑 172

第五章 工作物质的热效应 174

2.5.1 连续激光器的热效应 174

一、激光棒内的温度分布 174

二、激光棒中的热应力及热应变 176

三、激光棒的热致双折射 177

四、激光棒的热透镜效应 180

五、热焦距的测量 183

2.5.2 单次和重复率脉冲激光器的热效应 184

一、单次工作方式 184

二、重复率脉冲工作方式 187

2.5.3 热效应的消除及补偿措施 188

一、光学补偿法 188

二、采用非圆柱工作物质 188

第六章 谐振腔参数的选择 190

2.6.1 谐振腔腔模参数关系的一般描述 190

2.6.2 腔内有一个透镜的谐振腔 193

2.6.3 腔内含有两个透镜的谐振腔 199

一、G参数与稳定性 199

二、望远镜谐振腔的光束参数 201

三、望远镜谐振腔的热不灵敏条件 203

2.6.4 激光束在类透镜介质中的传播 204

一、类透镜介质对光线的变换 204

二、类透镜介质对激光束的变换 206

2.6.5 固体激光器的横模选择 208

一、孔径选模 208

二、非稳腔选模 210

主要参考资料 211

第三篇 半导体激光器和染料激光器 213

概述 213

第一章 半导体激光器原理 215

3.1.1 半导体p-n结及其能带结构 215

3.1.2 载流子注入与复合 219

3.1.3 半导体的光增益 221

3.1.4 注入式激光器振荡条件 224

第二章 半导体激光器的特性 228

3.2.1 阈值性质 228

一、阈值电流密度的测量 228

二、阈值电流密度与腔长和反射率的关系 230

三、温度和结构对阈值电流密度的影响 230

3.2.2 输出功率与转换效率 232

3.2.3 光谱特性与光束发散角 234

3.2.4 热学性质 238

3.2.5 器件寿命 239

第三章 半导体异质结激光器 241

3.3.1 异质结、能带及其作用 241

3.3.2 短波长双异质结激光器 245

一、器件结构 245

二、阈值电流 249

三、室温连续工作条件 251

四、振荡模式 252

五、器件寿命 258

3.3.3 长波长双异质结激光器 260

一、GaxIn1-xAsyP1-y/InP长波长激光器 260

二、其它长波长激光器 263

3.3.4 分布反馈式半导体激光器 263

一、DFB激光器 263

二、DBR激光器 266

第四章 染料激光器的工作原理 268

3.4.1 激光染料的结构及其性质 268

3.4.2 染料的能级图与光谱特性 271

3.4.3 染料激光的速率方程 273

3.4.4 染料激光的泵浦 275

第五章 脉冲染料激光器 278

3.5.1 激光泵浦的脉冲染料激光器组成和工作原理 278

3.5.2 脉冲染料激光器的振荡条件与增益 280

3.5.3 选频、调谐与谱线压窄技术 283

3.5.4 闪光灯泵浦的染料激光器 290

第六章 连续波染料激光器 292

3.6.1 连续波染料激光器的阈值条件与增益 293

一、阈值条件 293

二、染料的透过与增益分析 295

3.6.2 连续波染料激光器的腔型分析 296

3.6.3 行波环形腔染料激光器 299

主要参考资料 301