第1章 绪论 1
1.1 激光诞生的历史 1
1.2 激光的本质特征 3
1.2.1 相干性波动分析 3
1.2.2 相干性光子分析 5
1.2.3 光波模式 7
1.3 光子简并度 8
1.3.1 光波模式数 8
1.3.2 光子简并度 10
1.3.3 光源亮度 10
1.4 激光产生的基本条件 11
思考和练习题 12
第2章 光和物质的近共振相互作用 13
2.1 电磁波吸收和发射的经典解释 13
2.1.1 电介质极化 13
2.1.2 电偶极振子模型 16
2.1.3 吸收对介质的影响 17
2.2 电磁波吸收和发射的唯象理论 24
2.2.1 自发辐射 24
2.2.2 受激吸收 26
2.2.3 受激辐射 26
2.2.4 实现光放大的问题 27
2.3 光谱线加宽 28
2.3.1 吸收和发射光谱技术 28
2.3.2 谱线加宽和线型函数 30
2.3.3 谱线加宽对跃迁速率的影响 33
2.4 激光器中常见的谱线加宽 36
2.4.1 光谱线加宽的类型 36
2.4.2 均匀加宽的典型机制 38
2.4.3 非均匀加宽的典型机制 43
2.4.4 激光介质中的实际加宽 47
2.5 光和物质相互作用的近代理论 51
2.5.1 量子理论 51
2.5.2 半经典理论 51
2.5.3 速率方程理论 52
思考和练习题 52
第3章 速率方程理论 54
3.1 典型激光器的工作能级 54
3.1.1 红宝石激光器工作介质 54
3.1.2 掺铒光纤激光放大器工作介质 56
3.1.3 氩离子激光器工作介质 57
3.1.4 N2分子激光器 58
3.1.5 He-Ne激光器工作介质 59
3.1.6 掺Nd+3激光器工作介质 60
3.1.7 掺钛蓝宝石激光器工作介质 61
3.1.8 CO2激光器工作介质 62
3.1.9 半导体激光器工作介质 63
3.2 三能级系统速率方程组 65
3.2.1 激光三能级系统 65
3.2.2 速率方程组 66
3.3 四能级系统速率方程组 68
3.3.1 激光四能级系统 69
3.3.2 速率方程组 69
3.4 小信号光的介质增益 71
3.4.1 反转粒子数与小信号增益系数 71
3.4.2 四能级系统的小信号增益系数 72
3.4.3 三能级系统的小信号增益系数 73
3.5 均匀加宽介质的增益饱和 74
3.5.1 大信号的反转粒子数 75
3.5.2 大信号增益系数 77
3.5.3 增益曲线的均匀饱和 77
3.5.4 增益介质的色散 79
3.6 非均匀加宽介质的增益饱和 81
3.6.1 大信号增益系数 81
3.6.2 增益曲线的烧孔现象 83
3.6.3 气体激光器中的烧孔现象 85
3.6.4 综合加宽工作物质的增益系数 86
3.7 光放大 86
3.7.1 自发辐射放大 87
3.7.2 超辐射的强度和方向性 88
3.7.3 ASE线宽 90
3.7.4 激光放大器 92
思考与练习题 96
第4章 光学谐振腔理论 99
4.1 光学谐振腔的稳定性 99
4.1.1 光学谐振腔的结构、分类和作用 100
4.1.2 光线传输矩阵和ABCD律 103
4.1.3 谐振腔稳定性的光线传输矩阵分析 107
4.1.4 不同种类谐振腔的稳定性 110
4.2 光学谐振腔的模式 112
4.2.1 谐振腔的损耗 112
4.2.2 谐振腔的模式简介 117
4.2.3 DFB激光器模式简介 119
4.3 光学谐振腔的衍射积分理论 121
4.3.1 惠更斯-菲涅尔原理和基尔霍夫衍射积分 122
4.3.2 谐振腔自在现模积分本征方程 123
4.3.3 本征值γ的物理意义 124
4.4 平行平面腔Fox-Li数值迭代法 125
4.4.1 平行平面镜对称谐振腔积分本征方程 126
4.4.2 Fox-Li数值迭代法 127
4.4.3 Fox-Li数值迭代法的重要意义 130
4.5 球面镜对称共焦腔解析解 130
4.5.1 方形球面镜对称共焦腔的模式 130
4.5.2 方形球面镜对称共焦腔的行波场 136
4.5.3 圆形球面镜对称共焦腔 141
4.6 球面镜稳定腔的等价对称共焦腔 142
4.6.1 对称共焦腔的等价腔 142
4.6.2 球面镜稳定腔的等价对称共焦腔 143
4.7 高斯光束变换 145
4.7.1 高斯光束的基本特性 145
4.7.2 高斯光束的复参数q表示 145
4.7.3 复参数q的变换规律 146
4.7.4 高斯光束薄透镜的变换规律 148
4.7.5 光束远场发散角的检测 149
4.7.6 高斯光束的模式匹配 150
4.7.7 高斯光束的聚焦 151
4.7.8 高斯光束的准直 155
思考与练习题 157
第5章 连续激光器的工作特性 162
5.1 均匀加宽介质激光器速率方程 162
5.1.1 激光器单模运转速率方程 162
5.1.2 激光器多模运转速率方程 163
5.2 激光振荡阈值 165
5.2.1 振荡阈值条件 165
5.2.2 四能级系统的阈值泵浦功率密度 166
5.2.3 三能级系统的阈值泵浦功率密度 167
5.3 均匀加宽介质激光器中的纵模振荡和竞争 168
5.3.1 纵模数目 169
5.3.2 均匀加宽介质激光器中的单模振荡 170
5.3.3 振荡频率牵引 172
5.3.4 空间烧孔 174
5.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡 176
5.4.1 多模振荡 176
5.4.2 兰姆凹陷 177
5.4.3 非均匀加宽介质的模竞争 181
5.5 连续激光器输出特性 181
5.5.1 单模激光器的线宽极限 181
5.5.2 均匀加宽单模稳态运转的输出功率 184
5.5.3 输出耦合率的优化 188
5.5.4 非均匀加宽单模稳态运转的输出功率 190
思考及练习题 192
附录A 常用物理常数表 194
附录B 激光领域大事记 195
参考文献 200