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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4

1.2.3 相干性5

1.2.4 高亮度7

1.3 激光应用简介7

习题与思考题一11

第2章 激光产生的基本原理12

2.1 原子发光的机理12

2.1.1 原子的结构12

2.1.2 原子的能级12

2.1.3 原子发光的机理13

2.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收14

2.2.1 自发辐射14

2.2.2 受激辐射15

2.2.3 受激吸收16

2.2.4 三个爱因斯坦系数之间的关系16

2.3 激光产生的条件18

2.3.1 受激辐射光放大18

2.3.2 集居数反转18

2.3.3 激活粒子的能级系统19

2.3.4 光的自激振荡21

2.4 激光器的基本组成与分类22

2.4.1 激光器的基本组成22

2.4.2 激光工作物质23

2.4.3 泵浦源23

2.4.4 光学谐振腔24

2.4.5 激光器的分类24

习题与思考题二27

第3章 光学谐振腔与激光模式28

3.1 光学谐振腔的构成和分类29

3.1.1 光学谐振腔的构成和分类29

3.1.2 典型开放式光学谐振腔30

3.2 激光模式31

3.2.1 驻波与谐振频率32

3.2.2 纵模33

3.2.3 横模34

3.3 光学谐振腔的损耗35

3.3.1 光腔的损耗35

3.3.2 光子在腔内的平均寿命38

3.3.3 无源腔的品质因数——Q值39

3.4 光学谐振腔的稳定性条件40

3.4.1 腔内光线往返传播的矩阵表示40

3.4.2 共轴球面腔的稳定性条件44

3.4.3 临界腔47

3.5 光学谐振腔的衍射理论基础48

3.5.1 自再现模48

3.5.2 菲涅耳—基尔霍夫衍射积分50

3.5.3 自再现模积分方程51

3.5.4 自再现模积分方程解的物理意义52

3.6 平行平面腔的自再现模53

3.6.1 平行平面镜腔的自再现模积分方程54

3.6.2 平行平面腔模的数值迭代解法55

3.6.3 单程衍射损耗、单程相移与谐振频率56

3.7 对称共焦腔的自再现模58

3.7.1 方形镜对称共焦腔58

3.7.2 圆形镜共焦腔67

3.8 一般稳定球面腔的模式理论69

3.8.1 一般稳定球面腔与共焦腔的等价性70

3.8.2 一般稳定球面腔的模式特征71

3.9 非稳定谐振腔73

3.9.1 非稳腔的基本结构73

3.9.2 非稳腔的几何自再现波型75

3.9.3 非稳腔的几何放大率76

3.9.4 非稳腔的能量损耗77

3.9.5 非稳腔的输出耦合方式78

3.9.6 非稳腔的主要特点79

习题与思考题三80

第4章 高斯光束82

4.1 高斯光束的基本性质82

4.1.1 高斯光束82

4.1.2 高斯光束的基本性质84

4.1.3 高斯光束的特征参数86

4.2 高斯光束的传输与变换规律87

4.2.1 高斯光束的传输与变换规律88

4.2.2 实例分析90

4.3 高斯光束的聚焦和准直92

4.3.1 高斯光束的聚焦92

4.3.2 高斯光束的准直94

4.4 高斯光束的自再现变换96

4.4.1 利用薄透镜实现自再现变换96

4.4.2 球面反射镜对高斯光束的自再现变换97

4.5 高斯光束的匹配98

4.6 激光束质量因子100

习题与思考题四101

第5章 激光工作物质的增益特性103

5.1 谱线加宽与线型函数103

5.1.1 谱线加宽概述103

5.1.2 光谱线加宽的机理104

5.1.3 均匀加宽、非均匀加宽和综合加宽111

5.2 速率方程113

5.2.1 对自发辐射、受激辐射、受激吸收概率的修正113

5.2.2 单模振荡速率方程116

5.2.3 多模振荡速率方程118

5.3 均匀加宽激光工作物质对光的增益119

5.3.1 增益系数119

5.3.2 反转集居数饱和120

5.3.3 增益饱和123

5.4 非均匀加宽激光工作物质对光的增益125

5.4.1 增益饱和125

5.4.2 烧孔效应126

习题与思考题五129

第6章 激光器的工作特性131

6.1 连续与脉冲工作方式131

6.1.1 短脉冲运转132

6.1.2 长脉冲和连续运转132

6.2 激光器的振荡阈值133

6.2.1 阈值增益系数133

6.2.2 阈值反转集居数密度134

6.2.3 阈值泵浦功率和能量135

6.3 激光器的振荡模式137

6.3.1 起振纵模数137

6.3.2 均匀加宽激光器的输出模式138

6.3.3 非均匀加宽激光器的输出模式140

6.4 连续激光器的输出功率141

6.4.1 均匀加宽单模激光器的输出功率141

6.4.2 非均匀加宽单模激光器的输出功率143

6.4.3 多模激光器144

6.5 脉冲激光器的工作特性145

6.5.1 短脉冲激光器的输出能量145

6.5.2 弛豫振荡145

习题与思考题六147

第7章 激光特性的控制与改善149

7.1 模式选择149

7.1.1 横模选择149

7.1.2 纵模选择152

7.2 稳频技术154

7.2.1 频率的稳定性155

7.2.2 稳频方法156

7.3 调Q技术161

7.3.1 调Q激光器工作原理161

7.3.2 Q调制方法163

7.3.3 调Q激光器基本理论167

7.4 超短脉冲技术171

7.4.1 锁模原理172

7.4.2 锁模方法174

7.4.3 均匀加宽激光器主动锁模自洽理论179

7.4.4 阿秒激光的产生与测量181

7.5 激光调制技术183

7.5.1 激光调制的基本概念184

7.5.2 电光调制、声光调制和磁光调制187

7.5.3 直接调制190

7.6 激光偏转技术191

7.6.1 机械偏转192

7.6.2 电光偏转192

7.6.3 声光偏转193

7.7 光电器件设计及参数选用原则193

7.7.1 电光调制器的设计193

7.7.2 电光调Q激光器的设计194

7.7.3 声光调制器的设计196

习题与思考题七197

第8章 典型激光器199

8.1 固体激光器199

8.1.1 固体激光器的基本结构和泵浦方式199

8.1.2 红宝石激光器201

8.1.3 钕激光器202

8.1.4 掺钛蓝宝石激光器204

8.2 气体激光器205

8.2.1 气体激光器的泵浦方式206

8.2.2 氦氖激光器206

8.2.3 二氧化碳激光器208

8.2.4 氩离子激光器210

8.3 染料激光器211

8.3.1 染料激光器的泵浦方式与基本结构212

8.3.2 染料激光器的工作原理212

8.4 新型激光器214

8.4.1 准分子激光器214

8.4.2 自由电子激光器215

8.4.3 化学激光器217

8.4.4 声子激光器218

8.4.5 纳米激光器220

8.4.6 生物激光器224

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233

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238

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240

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243

9.3.1 异质结半导体激光器243

9.3.2 量子阱激光器246

9.3.3 光约束因子248

9.4 半导体激光器的谐振腔结构249

9.4.1 FP腔半导体激光器249

9.4.2 分布反馈式半导体激光器与布拉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257

9.5.3 半导体激光器的输出模式258

9.5.4 动态特性261

习题与思考题九264

第10章 光通信系统中的激光器和放大器265

10.1 半导体激光器在光纤通信中的应用265

10.1.1 作为光纤通信光源的半导体激光器265

10.1.2 半导体激光器在光纤通信中的应用与发展267

10.2 光放大器268

10.2.1 半导体光放大器268

10.2.2 光纤放大器270

10.2.3 半导体光放大器和光纤放大器的比较274

10.3 光纤激光器275

10.3.1 掺杂光纤激光器276

10.3.2 其他类型的光纤激光器279

10.4 光子晶体激光器281

10.4.1 光子晶体281

10.4.2 光子晶体激光器282

10.4.3 光子晶体激光器的应用前景285

10.5 用于无线激光通信的激光器285

10.5.1 无线激光通信286

10.5.2 用于无线激光通信的激光器287

10.6 光通信系统设计与实例288

10.6.1 光纤通信系统的设计288

10.6.2 空间光通信系统设计实例293

习题与思考题十294

第11章 激光全息技术295

11.1 激光全息技术的原理和分类295

11.1.1 激光全息的原理295

11.1.2 全息照相的特点298

11.1.3 激光全息技术的分类298

11.2 白光再现的全息技术299

11.2.1 白光反射全息299

11.2.2 像面全息300

11.2.3 彩虹全息301

11.2.4 真彩色全息302

11.3 几种特殊的全息技术303

11.3.1 计算全息303

11.3.2 数字全息303

11.3.3 合成全息304

11.3.4 激光超声全息307

11.3.5 瞬态全息308

11.4 激光全息技术的应用308

11.4.1 全息显示和全息电影308

11.4.2 全息干涉计量309

11.4.3 全息显微技术311

11.4.4 全息光学元件312

11.4.5 全息技术的其他应用314

习题与思考题十一315

第12章 激光与物质的相互作用316

12.1 激光在物质中的传播316

12.1.1 激光在物质中的传播和吸收316

12.1.2 激光的散射317

12.2 激光在晶体中的非线性光学现象318

12.2.1 倍频光的产生319

12.2.2 相位匹配319

12.3 激光对物质的加热与蒸发320

12.3.1 激光热蒸发320

12.3.2 光化学效应激光蒸发321

12.4 激光诱导化学过程322

12.4.1 激光切断分子322

12.4.2 激光引起的多光子吸收323

12.4.3 液体、固体的光化学反应323

习题与思考题十二324

第13章 激光在其他领域的应用325

13.1 激光在信息领域的应用325

13.1.1 激光存储325

13.1.2 激光计算机331

13.1.3 激光扫描335

13.1.4 激光打印机336

13.2 激光在工业领域的应用336

13.2.1 激光在精密计量中的应用337

13.2.2 激光在材料加工中的应用343

13.3 激光在生物医学领域的应用348

13.3.1 激光与生物体的相互作用348

13.3.2 激光在生物体检测及诊断中的应用350

13.3.3 激光医疗353

13.3.4 医用激光光源357

13.4 激光在国防科技领域的应用358

13.4.1 激光测距358

13.4.2 激光雷达359

13.4.3 激光制导360

13.4.4 激光陀螺361

13.4.5 激光武器362

13.5 激光在科学技术前沿中的应用364

13.5.1 激光光谱学364

13.5.2 激光核聚变367

13.5.3 超短脉冲激光技术370

13.5.4 激光冷却与原子捕陷372

13.5.5 利用激光操纵微粒374

习题与思考题十三375

附录A 典型气体激光器基本实验数据376

附录B 典型固体激光工作物质参数376

参考文献377