激光原理与技术PDF电子书下载

第1章 激光的基本原理及其特性 1

1.1激光的特性 1

1.1.1单色性与时间相干性 1

1.1.2方向性与空间相干性 2

1.1.3高亮度 3

1.1.4高阶相关 3

1.2光波模式和光子状态 4

1.2.1光波模式 4

1.2.2光子状态 5

1.2.3光子的相干性 7

1.2.4光子简并度 7

1.3原子的能级、分布和跃迁 8

1.3.1原子的能级 8

1.3.2能级间的跃迁和辐射 8

1.3.3 Boltzman分布 9

1.4激光产生的必要条件 9

1.4.1二能级系统的三种跃迁 10

1.4.2激光产生的必要条件 12

1.5激光产生的充分条件 13

1.5.1饱和光强的概念 13

1.5.2饱和光强的简单计算 14

1.5.3产生激光的充分条件 14

1.6谱线加宽和线型函数 16

1.6.1概述 16

1.6.2均匀加宽 17

1.6.3非均匀加宽 19

1.7谱线加宽下的增益系数 22

1.7.1谱线加宽下的跃迁系数修正 22

1.7.2吸收截面和发射截面 23

1.7.3谱线加宽下的增益系数 24

1.8激光器的速率方程 25

1.8.1速率方程的建立 25

1.8.2固体三能级系统速率方程组 26

1.8.3固体四能级系统速率方程组 27

1.8.4速率方程的稳态解 28

1.8.5反转粒子数及增益的饱和 28

1.9连续与脉冲工作 32

1.9.1速率方程的解 33

1.9.2激光器的工作状态 33

1.10激光放大的阈值条件 35

1.10.1粒子数反转分布条件 35

1.10.2阈值增益系数和阈值反转粒子数密度 36

1.10.3连续/长脉冲阈值光泵功率 37

1.10.4短脉冲工作阈值光泵能量 38

1.11激光器的振荡模式 39

1.11.1起振纵模数目的估算 39

1.11.2激光器稳定工作状态的建立 40

1.11.3均匀加宽激光器的模竞争 40

1.11.4非均匀加宽激光器的多模振荡 41

1.11.5频率牵引 42

1.12激光器的输出特性 43

1.12.1连续激光器的输出功率 43

1.12.2脉冲激光器的输出能量 45

1.13激光器的单模线宽极限和弛豫振荡 46

1.13.1激光器的单模线宽极限 46

1.13.2弛豫振荡 47

1.14激光器的泵浦技术 48

1.14.1直接泵浦 48

1.14.2间接泵浦 49

第2章 光学谐振腔理论 52

2.1光学谐振腔的基本知识 53

2.1.1光学谐振腔的构成和分类 53

2.1.2光学谐振腔的作用 53

2.1.3腔模 54

2.2光学谐振腔的损耗 57

2.2.1光腔的损耗及其描述 57

2.2.2光子在腔内的平均寿命 60

2.2.3无源腔的品质因数——Q值 61

2.2.4无源腔的单模线宽 62

2.3光学谐振腔的稳定性条件 62

2.3.1光线传播的矩阵表示 62

2.3.2共轴球面腔的稳定性条件 66

2.3.3稳区图 67

2.4谐振腔的衍射积分理论 68

2.4.1菲涅耳-基尔霍夫衍射积分 69

2.4.2自再现模所应满足的积分方程式 70

2.4.3积分方程解的物理意义 71

2.5平行平面腔的自再现模 72

2.5.1平行平面腔的模式积分方程 72

2.5.2平行平面腔模的数值迭代解法 73

2.6对称共焦腔的自再现模 75

2.6.1方形球面镜共焦腔模式积分方程及其解 76

2.6.2方形球面镜共焦腔自再现模的特征 78

2.6.3方形球面镜共焦腔的行波场 81

2.6.4圆形球面镜共焦腔 84

2.7一般稳定球面腔的模式理论 85

2.7.1等价共焦腔 86

2.7.2一般稳定球面腔的模式特征 87

2.8高斯光束 89

2.8.1高斯光束的基本性质 90

2.8.2高斯光束的q参数 91

2.8.3高斯光束q参数的变换规律 92

2.8.4 ABCD定律在谐振腔中的应用 95

2.9非稳腔的模式理论 96

2.9.1非稳腔的几何自再现波型 96

2.9.2非稳腔的几何放大率 98

2.9.3非稳腔的能量损耗率 99

第3章 典型激光器 101

3.1概述 101

3.1.1激光器的基本结构 101

3.1.2激光器的分类及其主要输出特性 102

3.2气体激光器 105

3.2.1气体放电激励基础 105

3.2.2 He-Ne激光器 108

3.2.3 CO2激光器 116

3.3固体激光器 131

3.3.1固体工作物质 132

3.3.2光泵浦系统 139

3.3.3工作物质的热效应及其散热 149

3.3.4掺钛蓝宝石激光器 153

3.4染料激光器 157

3.4.1染料激光器的工作原理 158

3.4.2染料激光器的泵浦方式与典型器件结构 161

第4章 半导体激光器 163

4.1半导体的能带结构和电子状态 163

4.1.1能带概念的引入 163

4.1.2半导体中的电子状态 164

4.2激发与复合辐射 165

4.2.1直接跃迁和半导体激光材料 165

4.2.2态密度和电子的激发 167

4.2.3非本征半导体材料——pn结 168

4.3激光振荡条件 169

4.3.1半导体中的光增益 169

4.3.2损耗和阈值振荡条件 170

4.4异质结半导体激光器 172

4.4.1异质结 172

4.4.2激光器的结构 173

4.5半导体激光的波长与线宽 174

4.5.1半导体激光的波长 174

4.5.2线宽与频率控制 175

4.6半导体激光器当前发展趋势 176

4.6.1大功率半导体激光器 176

4.6.2表面发射激光器 177

4.7半导体激光的应用 179

4.7.1概述 179

4.7.2半导体激光器在各种CD盘中的应用 179

4.7.3半导体激光器在光纤通信中的应用 180

第5章 光纤激光器 183

5.1引言 183

5.2光纤激光器的工作原理 184

5.3模及单模运转条件 187

5.3.1块状工作介质 187

5.3.2光纤工作物质 188

5.3.3模特性与截止频率 189

5.3.4光纤激光器的基本结构 194

5.4双包层光纤激光器 194

5.4.1单包层光纤的限制 194

5.4.2双包层光纤激光器 195

5.4.3光子晶体光纤激光器简介 198

5.5受激散射光纤激光器 199

5.5.1 Raman散射 199

5.5.2 Raman散射光纤激光器 200

5.5.3受激布里渊散射光纤激光器 201

5.6调Q和锁模光纤激光器 202

5.6.1光纤激光器的调Q工作 202

5.6.2光纤激光器的锁模工作 203

5.7可调谐光纤激光器 205

5.7.1孤立波和光孤子 205

5.7.2全光纤系统中波长可调谐光孤子脉冲 206

5.7.3波长连续可调光纤激光器 206

5.8高峰值功率光纤激光现状 207

5.8.1高峰值功率光纤激光 207

5.8.2窄线宽高峰值功率激光器 207

第6章 热容激光器 209

6.1固体的热容 209

6.1.1固体热容的经典理论 209

6.1.2固体热容的量子理论 209

6.2储热与温升 213

6.2.1储热功率与输出光功率 213

6.2.2温度的升高 214

6.2.3能量输出 214

6.3温度分布与热应力 215

6.3.1表面与中心的温度差 215

6.3.2应力比较 216

6.4光束畸变 218

6.5 NOPC的基本原理 219

6.5.1相位共轭波的定义 219

6.5.2 PCM与CPM的比较 219

6.5.3 SBS相位共轭波 221

6.6固态激光器的自适应象差校正 224

6.6.1引言 224

6.6.2用于固体激光器的MMDM基自适应光学系统 225

6.6.3用于固体激光器的Bimorph基自适应光学系统 226

第7章 模式选择技术与稳频技术 228

7.1模式选择技术 228

7.1.1激光模式与选模的概念 228

7.1.2横模选择技术 230

7.1.3纵模选择技术 235

7.2稳频技术 239

7.2.1稳频的基本理论 239

7.2.2兰姆凹陷稳频 242

7.2.3塞曼稳频 245

7.2.4分子饱和吸收稳频 248

7.2.5半导体激光器的稳频 250

第8章 激光光束质量的评价和测量 252

8.1激光束宽的定义方法 252

8.2激光光束质量的评价方法 255

8.2.1激光光束质量的常用评价参数 255

8.2.2一些激光束的M2因子 258

8.3激光束传输特性参数的测量 260

8.3.1光束宽度的测量 260

8.3.2远场发散角的测量 261

8.3.3激光光束质量参数的测量 262

8.3.4其他测量束宽的方法 263

第9章 调Q技术与锁模技术 266

9.1调Q技术 266

9.1.1调Q的基本理论 266

9.1.2调Q激光器的速率方程 270

9.1.3电光调Q 274

9.1.4可饱和吸收调Q 282

9.1.5声光调Q 287

9.1.6机械转镜调Q 291

9.2锁模技术 292

9.2.1锁模的基本理论 293

9.2.2实现锁模的主要方法 296

9.2.3主动锁模原理与器件 297

9.2.4被动锁模原理与器件 301

9.2.5同步泵浦锁模原理与器件 304

9.2.6自锁模原理与器件 306

第10章 激光调制技术 308

10.1调制的基本概念 308

10.1.1振幅调制 309

10.1.2频率调制和相位调制 309

10.1.3强度调制 310

10.1.4脉冲调制 311

10.1.5脉冲编码调制 312

10.2电光调制 312

10.2.1电光调制的物理基础 313

10.2.2电光强度调制 317

10.2.3电光相位调制 321

10.2.4电光调制器的电学性能 322

10.2.5设计电光调制器应考虑的问题 324

10.3声光调制 325

10.3.1声光调制的物理基础 325

10.3.2声光相互作用的两种类型 326

10.3.3声光调制器 330

10.3.4声光调制器设计应考虑的问题 333

10.4磁光调制 335

10.4.1磁光调制的物理基础 335

10.4.2磁光调制器 336

10.5直接调制 337

10.5.1半导体激光器（LD）直接调制的原理 337

10.5.2半导体光源的模拟调制 338

10.5.3半导体光源的PCM数字调制 338

第11章 光束功率合成 339

11.1概述 339

11.2光相干的电磁理论 340

11.2.1光的电磁理论 340

11.2.2光波的叠加与干涉 341

11.3光相干的经典统计描述 343

11.3.1复色场的复表示 343

11.3.2空间和时间相干度 344

11.3.3空间和时间相关性的测量 345

11.4光纤激光的相干合成 347

11.4.1孔径填充方法 348

11.4.2共线干涉叠加法 349

11.4.3光束合成的限制条件 349

11.5波长光束合成 350

11.5.1概述 350

11.5.2 WBC合成阵列元数估计 351

11.6 WBC与CBC的比较 351

参考文献 354