激光原理及应用PDF电子书下载

第1章 辐射理论概要与激光产生的条件 1

1.1 光的波粒二象性 1

1.1.1 光波 1

目录 1

1.1.2 光子 5

1.2 原子的能级和辐射跃迁 5

1.2.1 原子能级和简并度 5

1.2.2 原子状态的标记 6

1.2.3 玻耳兹曼分布 8

1.2.4 辐射跃迁和非辐射跃迁 8

1.3 光的受激辐射 9

1.3.1 黑体热辐射 9

1.3.2 光和物质的作用 10

1.3.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 13

1.4.1 光谱线、线型和光谱线宽度 14

1.3.4 自发辐射光功率与受激辐射光功率 14

1.4 光谱线增宽 14

1.4.2 自然增宽 17

1.4.3 碰撞增宽 20

1.4.4 多普勒增宽 21

1.4.5 均匀增宽和非均匀增宽线型 23

1.4.6 综合增宽 24

1.5 激光形成的条件 24

1.5.1 介质中光的受激辐射放大 24

1.5.2 光学谐振腔和阈值条件 27

思考练习题1 28

第2章 激光器的工作原理 29

2.1 光学谐振腔结构与稳定性 29

2.1.1 共轴球面谐振腔的稳定性条件 29

2.1.2 共轴球面腔的稳定图及其分类 30

2.1.3 稳定图的应用 31

2.2 速率方程组与粒子数反转 32

2.2.1 三能级系统和四能级系统 32

2.2.2 速率方程组 32

2.2.3 稳态工作时的粒子数密度反转分布 33

2.2.4 小信号工作时的粒子数密度反转分布 34

2.2.5 均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 34

2.2.6 均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 35

2.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 36

2.3.1 均匀增宽介质的增益系数 36

2.3.2 均匀增宽介质的增益饱和 37

2.4 非均匀增宽介质的增益饱和 39

2.4.1 介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 39

2.4.2 非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 40

2.4.3 非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 41

2.4.4 非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 42

2.5 激光器的损耗与阈值条件 43

2.5.1 激光器的损耗 44

2.5.2 激光谐振腔内形成稳定光强的过程 44

2.5.3 阈值条件 45

2.5.4 对介质能级选取的讨论 46

思考练习题2 48

第3章 激光器的输出特性 49

3.1 光学谐振腔的衍射理论 49

3.1.1 菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 49

3.1.2 光学谐振腔的自再现模积分方程 50

3.1.3 激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 52

3.2 对称共焦腔内外的光场分布 53

3.2.1 共焦腔镜面上的场分布 53

3.3 高斯光束的传播特性 56

3.2.2 共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 56

3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布 57

3.3.2 高斯光束的相位分布 58

3.3.3 高斯光束的远场发散角 59

3.3.4 高斯光束的高亮度 60

3.4 稳定球面腔的光束传播特性 61

3.4.1 稳定球面腔的等价共焦腔 61

3.4.2 稳定球面腔的光束传播特性 62

3.5 激光器的输出功率 63

3.5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率 63

3.5.2 非均匀增宽型介质激光器的输出功率 65

3.6 激光器的线宽极限 69

思考练习题3 70

4.1 激光器输出的选模 72

4.1.1 激光单纵模的选取 72

第4章 激光的基本技术 72

4.1.2 激光单横模的选取 75

4.2 激光器的稳频 77

4.2.1 影响频率稳定的因素 77

4.2.2 稳频方法概述 78

4.2.3 兰姆凹陷法稳频 79

4.2.4 饱和吸收法稳频 81

4.3 激光束的变换 82

4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换 82

4.3.2 高斯光束的聚焦 84

4.3.3 高斯光束的准直 86

4.3.4 激光的扩束 87

4.4 激光调制技术 88

4.4.1 激光调制的基本概念 88

4.4.2 电光强度调制 88

4.5 激光偏转技术 90

4.4.3 电光相位调制 90

4.5.1 机械偏转 91

4.5.2 电光偏转 91

4.5.3 声光偏转 92

4.6 激光调Q技术 92

4.6.1 激光谐振腔的品质因数Q 93

4.6.2 调Q原理 93

4.6.3 电光调Q 94

4.6.4 声光调Q 95

4.6.5 染料调Q 95

4.7 激光锁模技术 96

4.7.1 锁模原理 96

4.7.2 主动锁模 97

4.7.3 被动锁模 98

思考练习题4 99

第5章 典型激光器介绍 100

5.1 固体激光器 100

5.1.1 固体激光器的基本结构与工作物质 100

5.1.2 固体激光器的泵浦系统 102

5.1.3 固体激光器的输出特性 103

5.1.4 新型固体激光器 103

5.2 气体激光器 105

5.2.1 氦-氖（He-Ne）激光器 105

5.2.2 二氧化碳激光器 107

5.2.3 Ar+离子激光器 109

5.3 染料激光器 111

5.3.1 染料激光器的激发机理 111

5.3.2 染料激光器的泵浦 112

5.3.3 染料激光器的调谐 113

5.4.1 半导体的能带和产生受激辐射的条件 115

5.4 半导体激光器 115

5.4.2 PN结和粒子数反转 117

5.4.3 半导体激光器的工作原理和阈值条件 118

5.4.4 同质结和异质结半导体激光器 119

5.5 其他激光器 121

5.5.1 准分子激光器 121

5.5.2 自由电子激光器 123

5.5.3 化学激光器 123

思考练习题5 124

第6章 激光在精密测量中的应用 125

6.1 激光干涉测长 125

6.1.1 干涉测长的基本原理 125

6.1.2 激光干涉测长系统的组成 126

6.1.3 激光外差干涉测长技术 129

6.1.4 激光干涉测长应用举例 130

6.2.1 激光衍射测量原理 131

6.2 激光衍射测量 131

6.2.2 激光衍射测量的方法 133

6.2.3 激光衍射测量的应用 136

6.3 激光测距 138

6.3.1 激光脉冲测距 138

6.3.2 激光相位测距 140

6.4 激光准直及多自由度测量 143

6.4.1 激光准直仪 144

6.4.2 激光衍射准直仪 146

6.4.3 激光多自由度测量 147

6.5 激光多普勒测速 149

6.5.1 运动微粒散射光的频率 149

6.5.2 差频法测速 150

6.5.3 激光多普勒测速技术的应用 152

6.6.1 环形激光精密测角 154

6.6 环形激光测量角度和角加速度 154

6.6.2 光纤陀螺 155

6.7 激光环境计量 156

思考练习题6 157

第7章 激光加工技术 158

7.1 激光热加工原理 158

7.2 激光表面改性技术 162

7.2.1 激光淬火技术的原理与应用 162

7.2.2 激光表面熔凝技术 165

7.2.3 激光熔覆技术 165

7.3 激光去除材料技术 166

7.3.1 激光打孔 167

7.3.2 激光切割 169

7.4 激光焊接 171

7.4.1 激光热导焊 172

7.4.2 激光深熔焊 174

7.4.3 激光焊的优点 176

7.5 激光快速成型技术 176

7.5.1 激光快速成型技术的原理及主要优点 176

7.5.2 激光快速成型技术 177

7.5.3 激光快速成型技术的重要应用 181

7.6 其他激光加工技术 182

7.6.1 激光清洗技术 182

7.6.2 激光弯曲 182

思考练习题7 182

第8章 激光在医学中的应用 184

8.1 激光与生物体的相互作用 184

8.1.1 生物体的光学特性 184

8.1.2 激光对生物体的作用 186

8.2.1 激光临床治疗的种类与现状 187

8.2 激光在临床治疗中的应用 187

8.1.3 激光对生物体应用的优点 187

8.2.2 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 188

8.2.3 激光在眼科中的应用 189

8.2.4 激光在泌尿外科中的应用 191

8.2.5 激光在耳鼻喉科中的应用 192

8.2.6 最新的技术——间质激光光凝术 192

8.2.7 光动力学治疗 193

8.3 激光在生物体检测及诊断中的应用 195

8.3.1 利用激光的生物体光谱测量及诊断 195

8.3.2 激光断层摄影 196

8.3.3 激光显微镜 198

8.4 医用激光设备 200

8.4.1 医用激光光源 200

8.4.2 医用激光传播用光纤 201

8.5.1 医用激光新技术 203

8.5 激光应用于医学的未来 203

8.5.2 光动力学治疗的前景 204

思考练习题8 205

第9章 激光在信息技术中的应用 206

9.1 光纤通信系统中的激光器和光放大器 206

9.1.1 半导体激光器 206

9.1.2 光纤激光器 209

9.1.3 光放大器 212

9.2 激光全息三维显示 216

9.2.1 全息术的历史回顾 217

9.2.2 激光全息术的基本原理和分类 217

9.2.3 白光再现的全息三维显示 218

9.2.4 计算全息图 222

9.2.5 激光全息三维显示的优点 223

9.2.6 激光全息三维显示的应用 223

9.2.7 激光全息三维显示技术的展望 227

9.3 激光存储技术 228

9.3.1 激光存储的基本原理、分类及特点 228

9.3.2 激光光盘存储 229

9.3.3 激光体全息光存储 231

9.3.4 激光存储技术的新进展 233

9.4 激光扫描和激光打印机 235

9.4.1 激光扫描 235

9.4.2 激光打印机 241

思考练习题9 244

第10章 激光在科学技术前沿问题中的应用 245

10.1 激光核聚变 245

10.1.1 受控核聚变 245

10.1.2 磁力约束和惯性约束控制方法 246

10.1.3 激光压缩点燃核聚变的原理 247

10.2 激光冷却 248

10.3 激光操纵微粒 250

10.3.1 光捕获 250

10.3.2 微粒操纵 251

10.4 激光诱导化学过程 253

10.4.1 激光波长和离解能的关系 253

10.4.2 激光切断分子 253

10.4.3 液体、固体的光化学反应 255

10.5 激光光谱学 255

10.5.1 拉曼光谱 256

10.5.2 空间高分辨的激光显微光谱 257

10.5.3 频率高分辨的双光子光谱 259

10.5.4 时间高分辨的激光闪光光谱 259

10.5.5 各种特殊效能的激光光谱技术 260

思考练习题10 261

参考文献 263