激光原理与技术PDF电子书下载

第一章 激光与激光器基础 1

1.1 激光器基本结构 1

1.1.1 激光笔 1

1.1.2 激光器基本结构 2

1.2 光的描述（Ⅰ）——电磁理论 2

1.2.1 电磁波的模式 2

1.2.2 光强与光功率 4

1.2.3 介质的色散与吸收 5

1.2.4 光纤色散 7

1.3 光的描述（Ⅱ）——早期的光量子理论 9

1.3.1 普朗克的黑体辐射规律 9

1.3.2 光量子的概念 11

1.3.3 波尔理论的基本假设 12

1.3.4 两种描述的统一——光波模式和光子状态相格 12

1.4 光子的相干性 14

1.5 光波在时域与频域中的描述 16

1.6 激光的基本概念 17

1.6.1 自发辐射、受激吸收与受激辐射 17

1.6.2 激光器的基本思想 19

1.6.3 增益系数 20

1.6.4 光的自激振荡 21

1.7 激光的特性 23

第二章 光学谐振腔 27

2.1 引言 27

2.2 光线传播的矩阵表示 28

2.2.1 几何光学的矩阵分析 28

2.2.2 常见光学元件的变换矩阵 29

2.2.3 变换矩阵与成像问题 31

2.3 光学谐振腔及其稳定条件 33

2.3.1 光学谐振腔的分类 33

2.3.2 波导透镜 35

2.3.3 谐振腔的稳定条件 37

2.3.4 谐振腔的稳区图 38

2.4 谐振腔的损耗与Q值 39

2.4.1 光学谐振腔的损耗 39

2.4.2 腔内光子寿命 41

2.4.3 腔的Q值 41

2.5 高斯光束及其变换 42

2.5.1 基模高斯光束 43

2.5.2 基模高斯光束的描述 45

2.5.3 薄透镜对基模高斯光束的变换 45

2.5.4 均匀介质中的高阶高斯光束 46

2.6 谐振腔设计 48

2.7 谐振腔本征模式的概念 51

2.7.1 谐振腔的本征模式 51

2.7.2 谐振腔的谐振频率 52

2.8 谐振腔的衍射积分理论简介 54

2.9 Fabry-Perot腔（标准具） 56

2.9.1 Fabry-Perot（FP）腔的理论模型 56

2.9.2 连续波入射时单模光纤FP腔的输出特性 59

2.9.3 脉冲激光入射时单模光纤FP腔的衰荡输出特性 59

第三章 电磁场与物质相互作用 67

3.1 掺铒光纤的自发辐射谱 67

3.1.1 激光产生的物理基础 67

3.1.2 掺铒光纤的自发辐射谱 68

3.2 谱线加宽的概念 68

3.2.1 原子自发辐射的经典电偶极子模型 68

3.2.2 受激吸收和色散的经典理论基础 69

3.3 谱线加宽对辐射的影响 70

3.4 谱线加宽类型 74

3.4.1 均匀加宽 74

3.4.2 非均匀加宽（多普勒加宽） 77

3.4.3 综合加宽 78

3.5 泵浦 79

3.5.1 泵浦过程 79

3.5.2 泵浦过程的分类 80

3.5.3 光泵浦系统 81

3.5.4 电泵浦系统 82

3.6 激光器的速率方程理论 83

第四章 连续与脉冲激光器工作特性 87

4.1 连续激光器的实验结果 87

4.2 小信号稳态增益 89

4.3 增益饱和 91

4.4 激光器的振荡阈值条件 96

4.5 均匀加宽情况的模式竞争效应 100

4.6 均匀加宽单纵横激光器的输出功率、最佳透过率 103

4.7 非均匀加宽连续激光器的稳态工作特性 105

4.8 激光的线宽极限 109

4.9 频率牵引效应 111

4.10 脉冲激光器的工作特性 112

4.10.1 多模振荡的速率方程 112

4.10.2 脉冲激光器的工作特性 113

第五章 激光调制技术 121

5.1 引言 121

5.1.1 一个激光调制实例 121

5.1.2 调制的分类 121

5.1.3 光在晶体中的传播——折射率椭球 126

5.2 电光效应 129

5.3 电光调制 131

5.3.1 电光效应对光偏振态的影响 131

5.3.2 电光强度调制 132

5.3.3 电光相位调制 136

5.3.4 电光波导调制器 136

5.3.5 电光调制器的电学性能 138

5.3.6 电光调制器设计要素 139

5.4 声光调制器 139

5.4.1 声光调制器的工作原理 140

5.4.2 声光体调制器 145

5.4.3 声光调制器设计应考虑的问题 147

5.5 其他调制器 149

5.5.1 磁光调制 149

5.5.2 直接调制 150

第六章 调Q技术 152

6.1 调Q实验 152

6.1.1 Nd3+:YAG调Q激光器实验 152

6.1.2 掺镱（Yb）调Q光子晶体光纤激光器实验 155

6.2 调Q概念 156

6.3 调Q激光器速率方程（三能级、固体、均匀加宽） 159

6.3.1 调Q的速率方程 159

6.3.2 速率方程的求解 160

6.3.3 调Q脉冲的峰值功率 161

6.3.4 调Q脉冲的能量及能量利用率 162

6.3.5 调Q脉冲的时间特性 163

6.4 常见调Q方法 166

第七章 超短脉冲技术 170

7.1 单壁碳纳米管被动锁模光纤激光器实验 170

7.1.1 谐振腔结构 170

7.1.2 实验结果 173

7.2 多模激光器的输出特性 175

7.3 锁模原理（频域描述） 176

7.4 锁模方法 179

7.4.1 主动锁模方法 181

7.4.2 被动锁模方法 185

7.5 超短脉冲压缩技术 187

7.6 超短脉冲测量技术 192

7.7 超短脉冲放大技术 195

第八章 激光放大器 197

8.1 引言 197

8.1.1 光放大器的种类 197

8.1.2 光放大器的基本原理 199

8.2 光纤放大器的增益 201

8.3 Er3＋的三能级系统速率方程 204

8.3.1 归一化的稳态粒子数差 205

8.3.2 放大器增益 206

8.3.3 1.48μm和0.98μm波长泵浦 209

8.3.4 与时间相关的速率方程的近似解 212

8.4 泵浦结构 213

8.4.1 前向泵浦vs后向泵浦 214

8.4.2 双包层光纤泵浦 214

8.5 光纤的最佳长度 216

8.6 当掺铒光纤作为前置放大器时的电噪声 217

8.7 放大器的噪声指数 222

8.8 掺铒磷酸盐玻璃光波导放大器 222

8.8.1 掺铒波导放大器 223

8.8.2 铒-镱共掺光波导放大器 224

第九章 模式选择、稳频与倍频技术 227

9.1 模式选择技术 227

9.1.1 横模选择技术 227

9.1.2 纵模选择技术 228

9.2 激光器调谐 231

9.3 稳频技术 232

9.3.1 频率抖动 232

9.3.2 稳频技术 232

9.4 激光倍频技术 235

9.4.1 介质的非线性极化 236

9.4.2 激光倍频技术 236

第十章 常见激光器 239

10.1 激光器泵浦效率 239

10.2 固体激光器 240

10.3 气体激光器 244

10.4 其他激光器 248

第十一章 半导体激光器与放大器 251

11.1 概述 251

11.2 半导体激光器结构与工作原理 252

11.2.1 半导体物理基础 252

11.2.2 半导体激光器的增益与吸收 256

11.2.3 电子注入激光器的输出功率 260

11.2.4 半导体激光器封装技术 260

11.3 半导体激光放大器结构与工作原理 262

11.3.1 半导体激光放大器结构与工作原理 262

11.4 半导体激光器／放大器发展动态 263

参考文献 267