激光原理及應用

前言

　　本教材是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材和江蘇省高等學校立項建設的精品教材。本書可作為高等院校電子科學與技術(shù)、光信息科學與技術(shù)、光電信息工程和應用物理等專業(yè)本科生的教材，也可供高校相關專業(yè)的師生及從事光電子技術(shù)和光通信技術(shù)的科技人員參考?！　”窘滩木帉憰r參考了《普通高等學校電子科學與技術(shù)本科指導性專業(yè)規(guī)范（討論稿）》和《普通高等學校光電信息科學與工程本科指導性專業(yè)規(guī)范（討論稿）》中激光原理和光電子技術(shù)知識領域的要求，由作者根據(jù)在光通信和光電信息領域多年的科研和教學實踐經(jīng)驗，并充分吸收國內(nèi)外激光應用領域最新發(fā)展的基礎上編著。本教材力求深入淺出地闡明激光的基本原理和應用技術(shù)，并側(cè)重介紹激光在光通信和光電信息領域的最新應用和發(fā)展。教材內(nèi)容力圖保證相關理論知識的系統(tǒng)性和完整性，又兼顧可讀性和實用性?！　　凹す庠怼闭n程是電子科學與技術(shù)、光信息科學與技術(shù)和光電信息工程等專業(yè)的必修專業(yè)基礎課。本課程的參考學時為64課時，教材主要內(nèi)容包括：激光發(fā)展簡史及激光的特性；激光產(chǎn)生的基本原理；光學諧振腔與激光模式；高斯光束；激光工作物質(zhì)的增益特性；激光器的工作特性；激光特性的控制與改善；典型激光器；半導體激光器；光通信系統(tǒng)中的激光器和放大器；激光全息技術(shù)；激光與物質(zhì)的相互作用；激光在其他領域的應用。　　本書第1章是激光基本知識；第2～6章是激光理論；第7章是激光技術(shù)；第8章介紹典型激光器的原理和特性；第9、10章重點介紹用于光通信的激光器和光通信系統(tǒng)；第11～13章主要介紹激光在光電信息、工業(yè)、生物醫(yī)學、國防科技以及科學前沿問題中的應用。

內(nèi)容概要

　　本教材是普通高等教育“十一五”國家級規(guī)劃教材和江蘇省高等學校立項建設的精品教材。內(nèi)容包括激光發(fā)展簡史及激光的特性，激光產(chǎn)生的基本原理，光學諧振腔與激光模式，高斯光束，激光工作物質(zhì)的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制與改善，典型激光器，半導體激光器，光通信系統(tǒng)中的激光器和放大器，激光全息技術(shù)，激光與物質(zhì)的相互作用，以及激光在其他領域的應用。　　本書可作為高等院校電子科學與技術(shù)、光信息科學與技術(shù)、光電信息工程和應用物理等專業(yè)本科生的教材，也可供高校相關專業(yè)的師生及從事光電子技術(shù)和光通信技術(shù)的科技人員參考。

書籍目錄

第1章 概述1.1 激光發(fā)展簡史1.2 激光的特性1.2.1 高方向性1.2.2 單色性1.2.3 相干性1.2.4 高亮度1.3 激光應用簡介習題與思考題一第2章 激光產(chǎn)生的基本原理2.1 原子發(fā)光的機理2.1.1 原子的結(jié)構(gòu)2.1.2 原子的能級2.1.3 原子發(fā)光的機理2.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收2.2.1 自發(fā)輻射2.2.2 受激輻射2.2.3 受激吸收2.2.4 三個愛因斯坦系數(shù)A21、B21、B12之間的關系2.3 激光產(chǎn)生的條件2.3.1 受激輻射光放大2.3.2 集居數(shù)反轉(zhuǎn)2.3.3 激活粒子的能級系統(tǒng)2.3.4 光的自激振蕩2.4 激光器的基本組成與分類2.4.1 激光器的基本組成2.4.2 激光工作物質(zhì)2.4.3 泵浦源2.4.4 光學諧振腔2.4.5 激光器的分類習題與思考題二第3章 光學諧振腔與激光模式3.1 光學諧振腔的構(gòu)成和分類3.1.1 光學諧振腔的構(gòu)成和分類3.1.2 典型開放式光學諧振腔3.2 激光模式3.2.1 駐波與諧振頻率3.2.2 縱模3.2.3 橫模3.3 光學諧振腔的損耗3.3.1 光腔的損耗3.3.2 光子在腔內(nèi)的平均壽命3.3.3 無源腔的品質(zhì)因數(shù)——Q值3.4 光學諧振腔的穩(wěn)定性條件3.4.1 腔內(nèi)光線往返傳播的矩陣表示3.4.2 共軸球面腔的穩(wěn)定性條件3.4.3 臨界腔3.5 光學諧振腔的衍射理論基礎3.5.1 自再現(xiàn)模3.5.2 菲涅耳—基爾霍夫衍射積分3.5.3 自再現(xiàn)模積分方程3.5.4 自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義3.6 平行平面腔的自再現(xiàn)模3.6.1 平行平面鏡腔的自再現(xiàn)模積分方程3.6.2 平行平面腔模的數(shù)值迭代解法3.6.3 單程衍射損耗、單程相移與諧振頻率3.7 對稱共焦腔的自再現(xiàn)模3.7.1 方形鏡對稱共焦腔3.7.2 圓形鏡共焦腔3.8 一般穩(wěn)定球面腔的模式理論3.8.1 一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價性3.8.2 一般穩(wěn)定球面腔的模式特征3.9 非穩(wěn)定諧振腔3.9.1 非穩(wěn)腔的基本結(jié)構(gòu)3.9.2 非穩(wěn)腔的幾何自再現(xiàn)波型3.9.3 非穩(wěn)腔的幾何放大率3.9.4 非穩(wěn)腔的能量損耗3.9.5 非穩(wěn)腔的輸出耦合方式3.9.6 非穩(wěn)腔的主要特點習題與思考題三第4章 高斯光束4.1 高斯光束的基本性質(zhì)4.1.1 高斯光束4.1.2 高斯光束的基本性質(zhì)4.1.3 高斯光束的特征參數(shù)4.2 高斯光束的傳輸與變換規(guī)律4.2.1 高斯光束的傳輸與變換規(guī)律4.2.2 實例分析4.3 高斯光束的聚焦和準直4.3.1 高斯光束的聚焦4.3.2 高斯光束的準直4.4 高斯光束的匹配4.5 激光束質(zhì)量因子習題與思考題四第5章 激光工作物質(zhì)的增益特性5.1 譜線加寬與線型函數(shù)5.1.1 譜線加寬概述5.1.2 光譜線加寬的機理5.1.3 均勻加寬、非均勻加寬和綜合加寬5.2 速率方程5.2.1 對自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收概率的修正5.2.2 單模振蕩速率方程5.2.3 多模振蕩速率方程5.3 均勻加寬激光工作物質(zhì)對光的增益5.3.1 增益系數(shù)5.3.2 反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和與增益飽和5.4 非均勻加寬激光工作物質(zhì)對光的增益5.4.1 非均勻加寬介質(zhì)的反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和與增益飽和5.4.2 非均勻加寬氣體激光器中駐波產(chǎn)生的燒孔效應習題與思考題五第6章 激光器的工作特性6.1 連續(xù)與脈沖工作方式6.1.1 短脈沖運轉(zhuǎn)6.1.2 長脈沖和連續(xù)運轉(zhuǎn)6.2 激光器的振蕩閾值6.2.1 閾值增益系數(shù)6.2.2 閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度6.2.3 閾值泵浦功率和能量6.3 激光器的振蕩模式6.3.1 起振縱模數(shù)6.3.2 均勻加寬激光器的輸出模式6.3.3 非均勻加寬激光器的輸出模式6.4 連續(xù)激光器的輸出功率與能量6.4.1 均勻加寬單模激光器6.4.2 非均勻加寬單模激光器6.4.3 多模激光器6.5 脈沖激光器的工作特性6.5.1 短脈沖激光器的輸出能量6.5.2 弛豫振蕩習題與思考題六第7章 激光特性的控制與改善7.1 模式選擇7.1.1 橫模選擇7.1.2 縱模選擇7.2 穩(wěn)頻技術(shù)7.2.1 頻率的穩(wěn)定性7.2.2 穩(wěn)頻方法7.3 調(diào)Q技術(shù)7.3.1 調(diào)Q激光器工作原理7.3.2 Q調(diào)制方法7.3.3 調(diào)Q激光器基本理論7.4 超短脈沖技術(shù)7.4.1 鎖模原理7.4.2 鎖模方法7.4.3 均勻加寬激光器主動鎖模自洽理論7.4.4 阿秒激光的產(chǎn)生與測量7.5 激光調(diào)制技術(shù)7.5.1 激光調(diào)制的基本概念7.5.2 電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光調(diào)制7.5.3 直接調(diào)制7.6 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)7.6.1 機械偏轉(zhuǎn)7.6.2 電光偏轉(zhuǎn)7.6.3 聲光偏轉(zhuǎn)7.7 光電器件設計及參數(shù)選用原則7.7.1 電光調(diào)制器的設計7.7.2 聲光調(diào)制器的設計7.7.3 電光調(diào)Q激光器的設計習題與思考題七第8章 典型激光器8.1 固體激光器8.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和抽運方式8.1.2 紅寶石激光器8.1.3 釹激光器8.1.4 摻鈦藍寶石激光器8.2 氣體激光器8.2.1 氣體激光器的泵浦方式8.2.2 氦氖激光器8.2.3 二氧化碳激光器8.2.4 氬離子激光器8.3 染料激光器8.3.1 染料激光器的泵浦方式與基本結(jié)構(gòu)8.3.2 染料激光器的工作原理8.4 新型激光器8.4.1 準分子激光器8.4.2 自由電子激光器8.4.3 化學激光器習題與思考題八第9章 半導體激光器9.1 半導體激光器物理基礎9.1.1 半導體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài)9.1.2 半導體中載流子的分布與復合發(fā)光9.1.3 PN結(jié)9.1.4 半導體激光材料9.2 半導體激光器的工作原理9.2.1 半導體激光器受激發(fā)光條件9.2.2 半導體激光器有源介質(zhì)的增益系數(shù)9.2.3 閾值條件9.2.4 半導體激光器的速率方程及其穩(wěn)態(tài)解9.3 半導體激光器有源區(qū)對載流子和光子的限制9.3.1 異質(zhì)結(jié)半導體激光器9.3.2 量子阱（QW）半導體激光器9.3.3 光約束因子（Optical Confinement Factor）9.4 半導體激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)9.4.1 FP腔半導體激光器9.4.2 分布反饋式半導體激光器與布喇格反射式半導體激光器9.4.3 垂直腔表面發(fā)射半導體激光器9.5 半導體激光器的特性9.5.1 閾值特性9.5.2 半導體激光器的效率與輸出功率9.5.3 半導體激光器的輸出模式9.5.4 動態(tài)特性習題與思考題九第10章 光通信系統(tǒng)中的激光器和放大器10.1 半導體激光器在光纖通信中的應用10.1.1 作為光纖通信光源的半導體激光器10.1.2 半導體激光器在光纖通信中的應用與發(fā)展10.2 光放大器10.2.1 半導體光放大器10.2.2 光纖放大器10.2.3 半導體光放大器和光纖放大器的比較10.3 光纖激光器10.3.1 摻雜光纖激光器10.3.2 其他類型的光纖激光器10.4 光子晶體激光器10.4.1 光子晶體10.4.2 光子晶體激光器10.4.3 光子晶體激光器的應用前景10.5 用于無線激光通信的激光器10.5.1 無線激光通信10.5.2 用于無線激光通信的激光器10.6 光通信系統(tǒng)設計與實例10.6.1 光纖通信系統(tǒng)的設計10.6.2 空間光通信系統(tǒng)設計實例習題與思考題十第11章 激光全息技術(shù)11.1 激光全息技術(shù)的原理和分類11.1.1 激光全息的原理11.1.2 全息照相的特點11.1.3 激光全息技術(shù)的分類11.2 白光再現(xiàn)的全息技術(shù)11.2.1 白光反射全息11.2.2 像面全息11.2.3 彩虹全息11.2.4 真彩色全息11.3 幾種特殊的全息技術(shù)11.3.1 計算全息11.3.2 數(shù)字全息11.3.3 合成全息11.3.4 激光超聲全息11.3.5 瞬態(tài)全息11.4 激光全息技術(shù)的應用11.4.1 全息顯示和全息電影11.4.2 全息干涉計量11.4.3 全息顯微技術(shù)11.4.4 全息光學元件11.4.5 全息技術(shù)的其他應用習題與思考題十一第12章 激光與物質(zhì)的相互作用12.1 激光在物質(zhì)中的傳播12.1.1 激光在物質(zhì)中的傳播和吸收12.1.2 激光的散射12.2 激光在晶體中的非線性光學現(xiàn)象12.2.1 倍頻光的產(chǎn)生12.2.2 相位匹配12.3 激光對物質(zhì)的加熱與蒸發(fā)12.3.1 激光熱蒸發(fā)12.3.2 光化學效應激光蒸發(fā)12.4 激光誘導化學過程12.4.1 激光切斷分子12.4.2 激光引起的多光子吸收12.4.3 液體、固體的光化學反應習題與思考題十二第13章 激光在其他領域的應用13.1 激光在信息領域的應用13.1.1 激光存儲13.1.2 激光計算機13.1.3 激光掃描13.1.4 激光打印機13.2 激光在工業(yè)領域的應用13.2.1 激光在精密計量中的應用13.2.2 激光在材料加工中的應用13.3 激光在生物醫(yī)學領域的應用13.3.1 激光與生物體的相互作用13.3.2 激光在生物體檢測及診斷中的應用13.3.3 激光醫(yī)療13.3.4 醫(yī)用激光光源13.4 激光在國防科技領域的應用13.4.1 激光測距13.4.2 激光雷達13.4.3 激光制導13.4.4 激光陀螺13.4.5 激光武器13.5 激光在科學技術(shù)前沿中的應用13.5.1 激光光譜學13.5.2 激光核聚變13.5.3 超短脈沖激光技術(shù)13.5.4 激光冷卻與原子捕陷13.5.5 利用激光操縱微粒習題與思考題十三附錄A 典型氣體激光器基本實驗數(shù)據(jù)附錄B 典型固體激光工作物質(zhì)參數(shù)參考文獻

章節(jié)摘錄

　　第1章　概述　　我們生活的這個世界充滿了光，光是人類賴以生存的基本條件之一。人類最初懂得利用的光是自然界的太陽光。激光是20世紀最重要的發(fā)明之一，激光的出現(xiàn)為人類帶來了地球上從未見過的高質(zhì)量光源，從而開拓了新的研究領域，開創(chuàng)了光應用的新途徑，使許多過去不能實現(xiàn)的事情不斷地成為現(xiàn)實。激光技術(shù)是一門既屬于光學又屬于電子學的光電子技術(shù)。激光技術(shù)最顯著的特征是它對其他技術(shù)具有廣泛的滲透性。激光技術(shù)的飛速發(fā)展必將在通信、信息處理、計量、工業(yè)加工、土木建筑、能源、生物、醫(yī)療等廣闊領域帶來革命性的變革。　　本章首先回顧激光產(chǎn)生與發(fā)展的歷程，并簡要介紹激光不同于普通光源的顯著特性和激光在現(xiàn)代社會中的廣泛應用。　　1.1　激光發(fā)展簡史　　1.愛因斯坦的理論貢獻　　世界上第一臺激光器出現(xiàn)于1960年，然而導致激光發(fā)明的理論基礎可以追溯到1917年，愛因斯坦（Albert Einstein）在研究光輻射與原子相互作用時，提出光的受激輻射的概念，從理論上預見了激光產(chǎn)生的可能性。20世紀30年代，理論物理學家又證明受激輻射產(chǎn)生的光子的振動頻率、偏振方向和傳播方向都和引發(fā)產(chǎn)生受激輻射的激勵光子完全相同。　　如果光源的發(fā)光主要是受激輻射，就可以實現(xiàn)光放大效應，也就是說能夠得到激光。但是，普通光源產(chǎn)生的光輻射以自發(fā)輻射為主，受激輻射的成分非常少，沒有實際應用的價值，因此，愛因斯坦當初提出的受激輻射概念并沒有受到重視。

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