激光原理及应用PDF电子书下载

第1章 概述 1

1.1 激光发展简史 1

1.2 激光的特性 3

1.2.1 高方向性 3

1.2.2 单色性 5

1.2.3 相干性 6

1.2.4 高亮度 7

1.3 激光应用简介 8

习题与思考题一 12

第2章 激光产生的基本原理 13

2.1 原子发光的机理 13

2.1.1 原子的结构 13

2.1.2 原子的能级 14

2.1.3 原子发光的机理 14

2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收 15

2.2.1 自发辐射 15

2.2.2 受激辐射 16

2.2.3 受激吸收 17

2.2.4 三个爱因斯坦系数A21、B21、B12之间的关系 17

2.3 激光产生的条件 19

2.3.1 受激辐射光放大 19

2.3.2 集居数反转 20

2.3.3 激活粒子的能级系统 20

2.3.4 光的自激振荡 22

2.4 激光器的基本组成与分类 24

2.4.1 激光器的基本组成 24

2.4.2 激光工作物质 24

2.4.3 泵浦源 25

2.4.4 光学谐振腔 25

2.4.5 激光器的分类 26

习题与思考题二 28

第3章 光学谐振腔与激光模式 30

3.1 光学谐振腔的构成和分类 31

3.1.1 光学谐振腔的构成和分类 31

3.1.2 典型开放式光学谐振腔 32

3.2 激光模式 33

3.2.1 驻波与谐振频率 34

3.2.2 纵模 35

3.2.3 横模 36

3.3 光学谐振腔的损耗 37

3.3.1 光腔的损耗 37

3.3.2 光子在腔内的平均寿命 41

3.3.3 无源腔的品质因数——Q值 42

3.4 光学谐振腔的稳定性条件 42

3.4.1 腔内光线往返传播的矩阵表示 43

3.4.2 共轴球面腔的稳定性条件 47

3.4.3 临界腔 50

3.5 光学谐振腔的衍射理论基础 51

3.5.1 自再现模 51

3.5.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射积分 53

3.5.3 自再现模积分方程 54

3.5.4 自再现模积分方程解的物理意义 55

3.6 平行平面腔的自再现模 57

3.6.1 平行平面镜腔的自再现模积分方程 57

3.6.2 平行平面腔模的数值迭代解法 58

3.6.3 单程衍射损耗、单程相移与谐振频率 60

3.7 对称共焦腔的自再现模 61

3.7.1 方形镜对称共焦腔 61

3.7.2 圆形镜共焦腔 71

3.8 一般稳定球面腔的模式理论 73

3.8.1 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性 74

3.8.2 一般稳定球面腔的模式特征 75

3.9 非稳定谐振腔 78

3.9.1 非稳腔的基本结构 78

3.9.2 非稳腔的几何自再现波型 79

3.9.3 非稳腔的几何放大率 81

3.9.4 非稳腔的能量损耗 82

3.9.5 非稳腔的输出耦合方式 83

3.9.6 非稳腔的主要特点 84

习题与思考题三 85

第4章 高斯光束 88

4.1 高斯光束的基本性质 89

4.1.1 高斯光束 89

4.1.2 高斯光束的基本性质 90

4.1.3 高斯光束的特征参数 92

4.2 高斯光束的传输与变换规律 93

4.2.1 高斯光束的传输与变换规律 95

4.2.2 实例分析 97

4.3 高斯光束的聚焦和准直 98

4.3.1 高斯光束的聚焦 99

4.3.2 高斯光束的准直 101

4.4 高斯光束的匹配 103

4.5 激光束质量因子 105

习题与思考题四 106

第5章 激光工作物质的增益特性 109

5.1 谱线加宽与线型函数 109

5.1.1 谱线加宽概述 109

5.1.2 光谱线加宽的机理 111

5.1.3 均匀加宽、非均匀加宽和综合加宽 118

5.2 速率方程 120

5.2.1 对自发辐射、受激辐射、受激吸收概率的修正 120

5.2.2 单模振荡速率方程 123

5.2.3 多模振荡速率方程 125

5.3 均匀加宽激光工作物质对光的增益 126

5.3.1 增益系数 126

5.3.2 反转集居数饱和与增益饱和 128

5.4 非均匀加宽激光工作物质对光的增益 133

5.4.1 非均匀加宽介质的反转集居数饱和与增益饱和 133

5.4.2 非均匀加宽气体激光器中驻波产生的烧孔效应 136

习题与思考题五 137

第6章 激光器的工作特性 139

6.1 连续与脉冲工作方式 139

6.1.1 短脉冲运转 140

6.1.2 长脉冲和连续运转 141

6.2 激光器的振荡阈值 141

6.2.1 阈值增益系数 141

6.2.2 阈值反转集居数密度 142

6.2.3 阈值泵浦功率和能量 143

6.3 激光器的振荡模式 145

6.3.1 起振纵模数 145

6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式 146

6.3.3 非均匀加宽激光器的输出模式 148

6.4 连续激光器的输出功率与能量 149

6.4.1 均匀加宽单模激光器 150

6.4.2 非均匀加宽单模激光器 151

6.4.3 多模激光器 153

6.5 脉冲激光器的工作特性 153

6.5.1 短脉冲激光器的输出能量 153

6.5.2 弛豫振荡 154

习题与思考题六 155

第7章 激光特性的控制与改善 158

7.1 模式选择 158

7.1.1 横模选择 158

7.1.2 纵模选择 161

7.2 稳频技术 164

7.2.1 频率的稳定性 164

7.2.2 稳频方法 165

7.3 调Q技术 170

7.3.1 调Q激光器工作原理 171

7.3.2 Q调制方法 173

7.3.3 调Q激光器基本理论 177

7.4 超短脉冲技术 181

7.4.1 锁模原理 181

7.4.2 锁模方法 184

7.4.3 均匀加宽激光器主动锁模自洽理论 189

7.4.4 阿秒激光的产生与测量 191

7.5 激光调制技术 193

7.5.1 激光调制的基本概念 194

7.5.2 电光调制、声光调制和磁光调制 197

7.5.3 直接调制 200

7.6 激光偏转技术 202

7.6.1 机械偏转 202

7.6.2 电光偏转 202

7.6.3 声光偏转 203

7.7 光电器件设计及参数选用原则 204

7.7.1 电光调制器的设计 204

7.7.2 声光调制器的设计 205

7.7.3 电光调Q激光器的设计 206

习题与思考题七 207

第8章 典型激光器 209

8.1 固体激光器 209

8.1.1 固体激光器的基本结构和抽运方式 209

8.1.2 红宝石激光器 211

8.1.3 钕激光器 212

8.1.4 掺钛蓝宝石激光器 214

8.2 气体激光器 215

8.2.1 气体激光器的泵浦方式 216

8.2.2 氦氖激光器 216

8.2.3 二氧化碳激光器 218

8.2.4 氩离子激光器 220

8.3 染料激光器 221

8.3.1 染料激光器的泵浦方式与基本结构 222

8.3.2 染料激光器的工作原理 223

8.4 新型激光器 224

8.4.1 准分子激光器 224

8.4.2 自由电子激光器 226

8.4.3 化学激光器 227

习题与思考题八 229

第9章 半导体激光器 230

9.1 半导体激光器物理基础 231

9.1.1 半导体的能带结构和电子状态 231

9.1.2 半导体中载流子的分布与复合发光 234

9.1.3 PN结 237

9.1.4 半导体激光材料 238

9.2 半导体激光器的工作原理 239

9.2.1 半导体激光器受激发光条件 239

9.2.2 半导体激光器有源介质的增益系数 241

9.2.3 阈值条件 241

9.2.4 半导体激光器的速率方程及其稳态解 242

9.3 半导体激光器有源区对载流子和光子的限制 244

9.3.1 异质结半导体激光器 244

9.3.2 量子阱（QW）半导体激光器 247

9.3.3 光约束因子（Optical Confinement Factor） 249

9.4 半导体激光器的谐振腔结构 250

9.4.1 FP腔半导体激光器 250

9.4.2 分布反馈式半导体激光器与布喇格反射式半导体激光器 250

9.4.3 垂直腔表面发射半导体激光器 254

9.5 半导体激光器的特性 256

9.5.1 阈值特性 256

9.5.2 半导体激光器的效率与输出功率 258

9.5.3 半导体激光器的输出模式 259

9.5.4 动态特性 262

习题与思考题九 265

第10章 光通信系统中的激光器和放大器 266

10.1 半导体激光器在光纤通信中的应用 266

10.1.1 作为光纤通信光源的半导体激光器 266

10.1.2 半导体激光器在光纤通信中的应用与发展 268

10.2 光放大器 269

10.2.1 半导体光放大器 269

10.2.2 光纤放大器 271

10.2.3 半导体光放大器和光纤放大器的比较 275

10.3 光纤激光器 276

10.3.1 掺杂光纤激光器 277

10.3.2 其他类型的光纤激光器 280

10.4 光子晶体激光器 282

10.4.1 光子晶体 282

10.4.2 光子晶体激光器 283

10.4.3 光子晶体激光器的应用前景 286

10.5 用于无线激光通信的激光器 286

10.5.1 无线激光通信 287

10.5.2 用于无线激光通信的激光器 288

10.6 光通信系统设计与实例 289

10.6.1 光纤通信系统的设计 289

10.6.2 空间光通信系统设计实例 294

习题与思考题十 296

第11章 激光全息技术 297

11.1 激光全息技术的原理和分类 297

11.1.1 激光全息的原理 297

11.1.2 全息照相的特点 300

11.1.3 激光全息技术的分类 300

11.2 白光再现的全息技术 301

11.2.1 白光反射全息 301

11.2.2 像面全息 302

11.2.3 彩虹全息 302

11.2.4 真彩色全息 305

11.3 几种特殊的全息技术 305

11.3.1 计算全息 305

11.3.2 数字全息 306

11.3.3 合成全息 306

11.3.4 激光超声全息 309

11.3.5 瞬态全息 310

11.4 激光全息技术的应用 310

11.4.1 全息显示和全息电影 310

11.4.2 全息干涉计量 312

11.4.3 全息显微技术 313

11.4.4 全息光学元件 314

11.4.5 全息技术的其他应用 317

习题与思考题十一 317

第12章 激光与物质的相互作用 318

12.1 激光在物质中的传播 318

12.1.1 激光在物质中的传播和吸收 318

12.1.2 激光的散射 319

12.2 激光在晶体中的非线性光学现象 321

12.2.1 倍频光的产生 321

12.2.2 相位匹配 321

12.3 激光对物质的加热与蒸发 322

12.3.1 激光热蒸发 323

12.3.2 光化学效应激光蒸发 323

12.4 激光诱导化学过程 324

12.4.1 激光切断分子 324

12.4.2 激光引起的多光子吸收 325

12.4.3 液体、固体的光化学反应 325

习题与思考题十二 326

第13章 激光在其他领域的应用 327

13.1 激光在信息领域的应用 327

13.1.1 激光存储 327

13.1.2 激光计算机 334

13.1.3 激光扫描 338

13.1.4 激光打印机 340

13.2 激光在工业领域的应用 341

13.2.1 激光在精密计量中的应用 341

13.2.2 激光在材料加工中的应用 348

13.3 激光在生物医学领域的应用 353

13.3.1 激光与生物体的相互作用 353

13.3.2 激光在生物体检测及诊断中的应用 355

13.3.3 激光医疗 358

13.3.4 医用激光光源 362

13.4 激光在国防科技领域的应用 363

13.4.1 激光测距 363

13.4.2 激光雷达 364

13.4.3 激光制导 365

13.4.4 激光陀螺 366

13.4.5 激光武器 367

13.5 激光在科学技术前沿中的应用 369

13.5.1 激光光谱学 369

13.5.2 激光核聚变 372

13.5.3 超短脉冲激光技术 376

13.5.4 激光冷却与原子捕陷 377

13.5.5 利用激光操纵微粒 380

习题与思考题十三 381

附录A 典型气体激光器基本实验数据 382

附录B 典型固体激光工作物质参数 383

参考文献 384