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第1章 基础知识 1

1.1光的波粒二象性 1

1.2光波的模式 5

1.3原子能级与发光 7

1.3.1量子化的原子能级 7

1.3.2原子数目按能级的分布 9

1.4原子的自发辐射、受激吸收与受激辐射 10

1.4.1原子的自发辐射 10

1.4.2原子的受激吸收 11

1.4.3原子的受激辐射 12

1.4.4A21、B21和B12三系数的关系 13

1.5光谱线的增宽 14

1.5.1原子跃迁谱线增宽的机理与线型 15

1.5.2谱线增宽的类型 18

习题与思考题 21

第2章 光放大与振荡——激光器原理 23

2.1粒子数反转与光放大 23

2.2光学谐振腔 25

2.3激光器基本结构与激光形成过程 30

2.3.1激光器的基本结构 30

2.3.2激光的形成过程 31

2.3.3三能级系统与四能级系统 33

2.4激光的特性 34

2.4.1定向性 34

2.4.2单色性 35

2.4.3亮度特性 36

2.4.4时间相干性 36

2.4.5空间相干性 39

2.4.6光子简并度 42

2.5激光器速率方程 43

2.5.1三能级系统的速率方程（单模） 44

2.5.2四能级系统的速率方程（单模） 45

2.6介质的增益系数 47

2.6.1小信号增益系数 48

2.6.2大信号增益系数 49

2.7激光振荡阈值条件 51

2.8连续运转激光器的输出功率 54

2.8.1均匀增宽激光器的输出功率 55

2.8.2非均匀增宽激光器的输出功率 56

2.8.3兰姆凹陷 57

2.9脉冲激光器的输出特性 58

2.9.1短脉冲激励下的输出能量 58

2.9.2长脉冲激励下的输出功率 59

2.10自由振荡激光器的模式 60

2.10.1均匀增宽激光器的模竞争和单模振荡 60

2.10.2空间烧孔和多模振荡 61

2.10.3非均匀增宽激光器的多模振荡 62

2.11激光器的频率牵引 62

2.11.1色散 63

2.11.2频率牵引 64

2.12激光的线宽极限 65

习题与思考题 68

第3章 光学谐振腔 69

3.1光学谐振腔的构成和分类 69

3.1.1开腔 69

3.1.2闭腔 71

3.1.3气体波导腔 71

3.2光学谐振腔的损耗 72

3.2.1损耗的类型 72

3.2.2损耗的描述 73

3.2.3损耗计算举例 75

3.3谐振腔中模式的分析方法 78

3.3.1直接求解麦克斯韦方程 79

3.3.2求解衍射场的自洽积分方程 80

3.3.3开放式波导理论的方法 81

3.3.4几何光学分析法 81

3.4平行平面腔中的模 81

3.4.1场的自洽积分方程的数值解 81

3.4.2波导理论给出的结果 82

3.5稳定共轴球面腔中的模 84

3.5.1高斯光束 85

3.5.2稳定球面腔中的高斯光束 90

3.6平方媒质中的高斯光束 94

3.7非稳腔的模 96

3.7.1非稳腔的特点 96

3.7.2非稳腔的波形特征 96

3.7.3非稳腔的放大倍率及损耗 99

3.8波导激光谐振腔的模 101

3.8.1波导腔的构成和特点 101

3.8.2空心波导管中的模 101

3.8.3波导腔的损耗 103

3.9高斯光束的传输与透镜变换 106

3.9.1高斯光束在空间的传输规律 106

3.9.2高斯光束通过薄透镜的变换 108

3.10光线传播矩阵与ABCD定律 110

3.10.1光线传播矩阵 110

3.10.2ABCD定律 115

3.10.3高斯光束的ABCD定律 116

3.10.4光线矩阵性质 118

3.11高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 118

3.12高斯光束的聚焦与准直 119

3.12.1高斯光束的聚焦 119

3.12.2高斯光束的准直 121

3.13高斯模的匹配 123

习题与思考题 125

第4章 典型激光器 128

4.1固体激光器 128

4.1.1红宝石激光器 129

4.1.2钕激光器 129

4.1.3其他固体激光器 131

4.2气体激光器 133

4.2.1He-Ne激光器 134

4.2.2氩离子激光器 134

4.2.3CO2激光器 136

4.2.4准分子激光器 143

4.3染料激光器 145

4.4半导体激光器 147

4.4.1有关半导体的基本概念 148

4.4.2半导体激光器的工作原理 153

4.4.3典型半导体激光器 156

4.4.4半导体激光器的主要特性 160

4.5光纤激光器 165

4.5.1稀土掺杂光纤激光器 167

4.5.2非线性效应光纤激光器 169

4.6其他激光器 170

4.6.1自由电子激光器 170

4.6.2X射线激光器 172

习题与思考题 172

第5章 激光基本技术 175

5.1激光选模技术 175

5.1.1横模选择技术 175

5.1.2纵模选择技术 178

5.2激光稳频技术 183

5.2.1激光器频率的稳定度和再现度 184

5.2.2影响频率稳定的因素 184

5.2.3稳频方法 185

5.3激光Q开关技术 188

5.3.1普通脉冲固体激光器的输出特性 188

5.3.2调Q技术的基本原理 190

5.3.3调Q方法 191

5.3.4调Q激光器的基本理论 196

5.4激光锁模技术 199

5.4.1自由运转多纵模激光器的输出特性 199

5.4.2锁模的基本原理 200

5.4.3锁模激光器的输出特性 201

5.4.4锁模方法 204

5.5激光放大技术 209

5.5.1激光放大器的基本原理 209

5.5.2激光放大器的基本理论 210

5.6激光调制技术 217

5.6.1光调制的基本概念 217

5.6.2调制方法 221

5.7激光偏转技术 224

5.7.1电光偏转 224

5.7.2声光偏转 225

习题与思考题 226

第6章 激光半经典理论与量子理论 229

6.1激光电磁场方程 229

6.2密度矩阵 233

6.2.1量子统计系综和力学量的平均值 233

6.2.2密度矩阵定义 234

6.2.3密度矩阵的性质及物理意义 234

6.2.4密度矩阵的运动方程 236

6.3二能级原子系综的密度矩阵 237

6.3.1静止原子情形 238

6.3.2运动原子情形 239

6.4宏观电极化强度与密度矩阵的关系 240

6.5静止原子激光器的单模运转 240

6.6二模振荡与模式竞争 242

6.7运动原子激光器的单模运转 248

6.8经典辐射场的量子化 251

6.8.1开式平面光腔中的场与谐振子 251

6.8.2电磁场的能量量子化 253

6.8.3量子化场的本征态 255

6.9相位算符 256

6.10相干态 258

6.10.1相干态的定义与表示 258

6.10.2相干态的性质 260

6.11辐射场与原子的相互作用 263

6.12原子辐射和吸收的跃迁几率 266

6.12.1受激吸收几率 267

6.12.2受激辐射几率 268

6.12.3共振情况下吸收与辐射几率 268

6.13光子统计 269

6.13.1约化密度算符 269

6.13.2场的运动方程 270

6.13.3激光光子统计 272

习题与思考题 276

第7章 非线性光学效应 278

7.1概述 278

7.2光在非线性介质中传播的基本方程 280

7.2.1非线性波动方程 280

7.2.2耦合波方程 280

7.2.3曼利-罗（Manley-Rowe）关系 282

7.3二阶非线性光学效应 282

7.3.1和频的产生 282

7.3.2差频的产生 286

7.3.3倍频的产生 288

7.3.4相位匹配技术 290

7.3.5光学参量放大与参量振荡 293

7.4三阶非线性光学效应 297

7.4.1自聚焦现象 298

7.4.2四波混频 301

7.4.3受激拉曼散射（SRS） 304

7.4.4受激布里渊散射（SBS） 310

习题与思考题 313

第8章 光纤技术 314

8.1光纤结构与分类 314

8.2光纤传光原理 316

8.2.1几何光学分析方法 316

8.2.2平面波方法 318

8.3光纤的损耗和色散 325

8.3.1光纤的传输损耗 325

8.3.2光纤的色散 328

8.3.3光纤孤子 331

8.4光纤的连接与光耦合 333

8.4.1光纤的连接及损耗 333

8.4.2光纤的光耦合 335

8.4.3光纤分路器与合路器 337

8.4.4波分复用器 339

8.5光纤的应用 340

8.5.1光纤通信 341

8.5.2光纤传感器 343

8.5.3光纤图像传输 352

8.5.4光纤用于能量传输 356

8.5.5光纤激光器和放大器 358

习题与思考题 359

第9章 光存储技术 361

9.1关于信息的基本概念 361

9.2光存储的一般特点 363

9.3光盘存储 364

9.4可擦重写光盘 369

9.5光全息存储 376

9.5.1全息图的记录与再现 376

9.5.2全息图的分类 379

9.5.3夫琅禾费全息图与菲涅耳全息图 380

9.5.4全息存储及特点 384

9.6其他光存储技术简介 387

9.6.1近场光学存储技术 387

9.6.2双光子光学存储 388

9.6.3光谱烧孔存储技术 390

习题与思考题 392

第10章 光电子技术的其他应用 394

10.1激光干涉计量 394

10.1.1激光测长 394

10.1.2激光测速 399

10.2激光测距与激光雷达 401

10.2.1激光测距 401

10.2.2激光雷达 403

10.3激光工业加工 406

10.3.1激光热加工的一般原理 407

10.3.2几种激光热加工方法 407

10.3.3激光光化学反应加工——激光光刻 409

10.4激光制导 410

10.4.1激光驾束制导的原理 410

10.4.2激光驾束制导的主要组成和功能 411

10.5激光通信 412

10.5.1大气传输通信 413

10.5.2卫星激光通信 413

10.5.3光纤通信 415

10.5.4水下通信 416

10.6激光引发核聚变 417

10.7激光武器 418

习题与思考题 419

第11章 光信号的探测 420

11.1光探测器的物理基础 420

11.1.1光信号探测器的物理效应 420

11.1.2光电转换定律 423

11.2光探测器的特性参数和噪声 423

11.2.1特性参数 423

11.2.2噪声 426

11.3常用光探测器 428

11.3.1真空光电二极管 428

11.3.2光电倍增管 428

11.3.3光电导探测器 430

11.3.4光电二极管 431

11.3.5热释电探测器 433

11.4直接探测 434

11.5光外差探测 436

11.5.1光外差探测的基本原理 436

11.5.2光外差探测的信噪比 438

习题与思考题 438

附录A常用物理常量表 439

附录B国际单位制词头 440

习题参考答案 441

参考文献 446