激光原理及应用（第4版）"
本书为普通高等教育"十一五”国家级规划教材。 本书从内容上分为两部分。第1～5章介绍激光的基本理论，从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念，以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，尽量避免过多的理论计算，以掌握激光器的选择和使用为主要目的；第6～10章介绍激光在计量、加工、医学、信息技术，以及现代科技前沿问题中的应用，重点介绍各种应用的思路和方法。
第4版前言 激光是20世纪人类的重大科技发明之一，它的诞生使光学的应用领域发生了巨大的变化，许多传统光学无法实现的新应用和新技术应运而生。激光技术在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术等各个方面。由于各行各业都应用激光进行技术改造和新技术的开发研究，因此，除了文科院校，几乎所有理工农医类高等院校都开设了激光技术和应用的课程。 在介绍本书之前，先让我们来回顾一下激光的发展历史。激光的发展史应当追溯到20世纪的1917年，爱因斯坦在量子理论的基础上提出了光的受激辐射的概念，预见到受激辐射光放大器将诞生，也就是激光产生的可能性。20世纪50年代,美国科学家汤斯（Townes），以及苏联科学家普罗霍罗夫（Prokhorov）等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器（Microwave amplification by stimulated emission of radiation），并以其英文的第一个字母缩写命名为Maser。1958年,美国科学家汤斯（Townes）和肖洛（Schawlow）提出在一定的条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器（Light amplification by stimulated emission of radiation，缩写为Laser）。1960年7月,梅曼（Maiman）宣布制成了第一台红宝石激光器（Ruby laser）。第二年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器，在《科学通报》1961年第11期上发表了相关论文，称之为“光学量子放大器”。其后在我国科学家钱学森的建议下，统一翻译为“激光”或“激光器”。20世纪60年代末到70年代初，克雷歇尔（H.Kressel）和阿尔菲洛夫（Z.I.Alferov）等提出了双异质结半导体激光器新构思，并成功实现了室温连续工作；高琨（Chals Gao）提出了基于光学全反射原理的光导纤维的创新概念并进而由康宁公司开发成实用产品。这两大技术思想的突破，加上后来在此基础上出现的半导体量子阱光电子器件、光纤激光器和光纤放大器等重大发明，促使光子和电子迅速结合并蓬勃发展为今天的信息光电子技术和产业。 本书第1版是在大学本科普通物理学的基础上编写的，于2004年8月出版。书的前半部分介绍激光原理，从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念，以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，尽量避免过多的理论计算，以掌握激光器的选择和使用为主要目的；后半部分介绍激光在计量、加工、医学、信息技术，以及现代科技前沿问题中的应用，重点介绍各种应用的思路和方法。全书每章都配以思考练习题，以期读者经过这些练习能够理解所学到的理论并掌握应用方法。作为激光原理及应用课程的必读部分，前五章对学习过大学数学与普通物理学的理工科大学本科学生只需要讲授24学时。后五章可以根据学生的专业不同选择讲授，连同实验可以安排36学时或48学时。 本教材经国内数十所大学多年的使用，受到众多好评，并列选为普通高等教育“十一五”国家级规划教材。 为了更好地发挥国家级规划教材的作用，编者对全书内容进行了修订和补充，并于2008年和2013年相应出版了本书第2版和第3版。第2版和第3版主要修订的部分包括：修改了一些错误和不够准确和严谨的地方；补充和更新了对于激光光束质量的评价；激光在测量、加工、医学及信息技术方面的新应用；激光散斑干涉测量的应用；量子光通信中的激光光源研究，以及激光用于产生反常多普勒效应的基础实验等。为本科生学习研究前沿的基础性科学问题打下基础。 近十年来，由于科学技术与经济的发展，国防与军事工业的需求，激光原理与应用得到了更加广泛深入的研究。功能各异、光束质量更好、发出的光功率成数量级增长的各类激光器被开发出来，在所有科学技术领域和经济建设、国防建设中激光得到越来越多也越来越重要的应用。为了让读者能更清楚地理解激光光束产生的理论基础和输出的特性，本书第4版增加了标量衍射理论基础，并增补了几种特殊激光光束类型，这些激光束是近年来光学界研究与应用的热点；同时补充了在应用激光束时必须考虑但又通常被忽略的一个性质，即作为随机过程的激光产生、传输、接收各个阶段的统计性质，主要是一阶的激光振幅与相位统计性质。应用部分的内容也做了适当的删减和增补，删除了激光诱导化学过程一节；增加了超越经典衍射极限的分辨率一节，后者是目前光学界乃至整个IT行业都极其关心的研究热点，其中部分研究结果获得了2016年诺贝尔物理学奖。以上内容的增删均能体现本教材与时俱进的特点。 特别要说明的是本书的许多论述方法取自20世纪七八十年代清华大学丁俊华先生的教材《激光原理及应用》。 本书编著者50多年前受教于丁先生，教学中使用他这本教材更是受益匪浅，在此对丁俊华先生表示深切的敬意。在本书编写过程中还得到了刘建华教授、顾铮教授、余重秀教授、张元芳教授和刘顺洪教授的无私帮助，他们的很多意见已反映在本书中，在此表示衷心的感谢。 我们衷心感谢使用本教材的广大读者，并热切希望读者们对本书不足给予指正，帮助我们把它修改得更好。 我们的联系方式：jbchenk@163com；pengrunling@ussteducn 编著者 20198
第1章辐射理论概要与激光产生的条件 11光的波粒二象性 111光波 112光子 12原子的能级和辐射跃迁 121原子能级和简并度 122原子状态的标记 123玻尔兹曼分布 124辐射跃迁和非辐射跃迁 13光的受激辐射 131黑体热辐射 132光和物质的作用 133自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系 134自发辐射光功率与受激辐射光功率 14光谱线增宽 141光谱线、线型和光谱线宽度 142自然增宽 143碰撞增宽 144多普勒增宽 145均匀增宽和非均匀增宽线型 146综合增宽 15激光形成的条件 151介质中光的受激辐射放大 152光学谐振腔和阈值条件 思考练习题1 第2章激光器的工作原理 21光学谐振腔结构与稳定性 211共轴球面谐振腔的稳定性条件 212共轴球面腔的稳定图及其分类 213稳定图的应用 22速率方程组与粒子数反转 221三能级系统和四能级系统 222速率方程组 223稳态工作时的粒子数密度反转分布 224小信号工作时的粒子数密度反转分布 225均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布 226均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 23均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 231均匀增宽介质的增益系数 232均匀增宽介质的增益饱和 24非均匀增宽介质的增益饱和 241介质在小信号时的粒子数密度反转分布值 242非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数 243非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布 244非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 25激光器的损耗与阈值条件 251激光器的损耗 252激光谐振腔内形成稳定光强的过程 253阈值条件 254对介质能级选取的讨论 思考练习题2 第3章激光器的输出特性 31光学谐振腔的衍射理论 311数学预备知识 312菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 313光学谐振腔的自再现模积分方程 314激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 32对称共焦腔内外的光场分布 321共焦腔镜面上的场分布 322共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 33高斯光束的传播特性 331高斯光束的振幅和强度分布 332高斯光束的相位分布 333高斯光束的远场发散角 334高斯光束的高亮度 34稳定球面腔的光束传播特性 341稳定球面腔的等价对称共焦腔 342稳定球面腔的光束传播特性 35其他几种常用的激光光束 351厄米-高斯光束 352拉盖尔-高斯光束 353贝塞尔光束 36激光器的输出功率 361均匀增宽型介质激光器的输出功率 362非均匀增宽型介质激光器的输出功率 37激光器的线宽极限 38激光光束质量的品质因子M2 39模式激光的某些一阶统计性质 391单模激光的一阶统计性质 392多模激光的一阶统计性质 思考练习题3 第4章激光的基本技术 41激光器输出的选模 411激光单纵模的选取 412激光单横模的选取 42激光器的稳频 421影响频率稳定的因素 422稳频方法概述 423兰姆凹陷法稳频 424饱和吸收法稳频 43激光束的变换 431高斯光束通过薄透镜时的变换 432高斯光束的聚焦 433高斯光束的准直 434激光的扩束 44激光调制技术 441激光调制的基本概念 442电光强度调制 443电光相位调制 45激光偏转技术 451机械偏转 452电光偏转 453声光偏转 46激光调Q技术 461激光谐振腔的品质因数Q 462调Q原理 463电光调Q 464声光调Q 465染料调Q 47激光锁模技术 471锁模原理 472主动锁模 473被动锁模 思考练习题4 第5章典型激光器介绍 51固体激光器 511固体激光器的基本结构与工作物质 512固体激光器的泵浦系统 513固体激光器的输出特性 514新型固体激光器 52气体激光器 521氦氖(HeNe)激光器 522二氧化碳激光器 523Ar＋离子激光器 53染料激光器 531染料激光器的激发机理 532染料激光器的泵浦 533染料激光器的调谐 54半导体激光器 541半导体的能带和产生受激辐射的条件 542PN结和粒子数反转 543半导体激光器的工作原理和阈值条件 544同质结和异质结半导体激光器 55其他激光器 551准分子激光器 552自由电子激光器 553化学激光器 思考练习题5 第6章激光在精密测量中的应用 61激光干涉测长 611干涉测长的基本原理 612激光干涉测长系统的组成 613激光外差干涉测长技术 614激光干涉测长应用举例 62激光衍射测量 621激光衍射测量原理 622激光衍射测量的方法 623激光衍射测量的应用 63激光测距 631激光脉冲测距 632激光相位测距 64激光准直及多自由度测量 641激光准直仪 642激光衍射准直仪 643激光多自由度测量 65激光多普勒测速 651运动微粒散射光的频率 652差频法测速 653激光多普勒测速技术的应用 66环形激光测量角度和角加速度 661环形激光精密测角 662光纤陀螺 67激光环境计量 68激光散射板干涉仪 思考练习题6 第7章激光加工技术 71激光热加工原理 72激光表面改性技术 721激光淬火技术的原理与应用 722激光表面熔凝技术 723激光熔覆技术 73激光去除材料技术 731激光打孔 732激光切割 74激光焊接 741激光热导焊 742激光深熔焊 743激光复合焊 75激光快速成型技术 751激光快速成型技术的原理及主要优点 752激光快速成型技术 753激光快速成型技术的重要应用 76其他激光加工技术 761激光清洗技术 762激光弯曲 思考练习题7 第8章激光在医学中的应用 81激光与生物体的相互作用 811生物体的光学特性 812激光对生物体的作用 813激光对生物体应用的优点 82激光在临床治疗中的应用 821激光临床治疗的种类与现状 822激光在皮肤科及整形外科领域中的应用 823激光在眼科中的应用 824激光在泌尿外科中的应用 825激光在耳鼻喉科中的应用 826最新的技术——间质激光光凝术 827光动力学治疗 83激光在生物体检测及诊断中的应用 831利用激光的生物体光谱测量及诊断 832激光断层摄影 833激光显微镜 84医用激光设备 841医用激光光源 842医用激光传播用光纤 85激光应用于医学的未来 851医用激光新技术 852光动力学治疗的前景 思考练习题8 第9章激光在信息技术中的应用 91光纤通信系统中的激光器和光放大器 911半导体激光器 912光纤激光器 913光放大器 92激光全息三维显示 921全息术的历史回顾 922激光全息术的基本原理和分类 923白光再现的全息三维显示 924计算全息图 925数字全息术 926全息三维显示的优点 927全息三维显示的应用 928全息三维显示技术的展望 93激光存储技术 931激光存储的基本原理、分类及特点 932激光光盘存储 933激光体全息光存储 934激光存储技术的新进展 94激光扫描和激光打印机 941激光扫描 942激光打印机 95量子光通信中的激光源 951量子光通信 952量子态发生器及应用 思考练习题9 第10章激光在科学技术前沿问题中的应用 101激光核聚变 1011受控核聚变 1012磁力约束和惯性约束控制方法 1013激光压缩点燃核聚变的原理 102激光冷却 103激光操纵微粒 1031光捕获 1032微粒操纵 104超越经典衍射极限的分辨率 1041解析延拓 1042综合孔径傅里叶全息术 1043傅里叶叠层算法 1044相干谱复用 1045非相干结构光照明成像 1046超分辨荧光显微镜 105激光光谱学 1051拉曼光谱 1052空间高分辨的激光显微光谱 1053频率高分辨的双光子光谱 1054时间高分辨的激光闪光光谱 1055各种特殊效能的激光光谱技术 106激光用于反常多普勒效应的基础物理研究 1061电磁波的正常多普勒效应 1062在负折射率材料中传播的电磁波的反常多普勒效应 1063折射光子晶体棱镜的设计以及负折射性质的实验验证 1064反常多普勒效应的测量光路设计及理论分析 1065反常多普勒效应的测量实验结果 思考练习题10 附录A随机变量 A1概率的定义和随机变量 A2分布函数和密度函数 A3推广到两个或多个联合随机变量 A4统计平均 附录B随机过程 B1随机过程的定义和描述 B2平稳性和遍历性 参考文献
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