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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