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第1章 激光产生的物理基础1

1.1 光的本质及激光的发展1

1.1.1 光的本质1

1.1.2 激光的发展简史2

1.2 产生激光的能级理论4

1.2.1 原子能级和简并度4

1.2.2 单个原子的原子态及能级结构5

1.2.3 能级跃迁理论6

1.2.4 多原子系统的粒子分布8

1.3 量子态的基本假设9

1.3.1 光子的基本性质9

1.3.2 光子的相干性10

1.3.3 光波模式和光子态12

1.3.4 光子简并度15

1.3.5 激光的模式15

1.4 激光的产生及特性19

1.4.1 激光产生过程19

1.4.2 激光器基本组成及类型20

1.4.3 激光的特性32

第2章 光与物质相互作用及机理35

2.1 黑体辐射与普朗克公式35

2.2 光与物质相互作用及爱因斯坦关系式37

2.2.1 自发辐射37

2.2.2 受激吸收39

2.2.3 受激辐射40

2.2.4 爱因斯坦三系数的关系41

2.2.5 自发辐射与受激辐射的光功率42

2.3 谱线加宽机制42

2.3.1 光谱线的线型和线宽42

2.3.2 均匀加宽44

2.3.3 非均匀加宽49

2.3.4 均匀加宽与非均匀加宽线型比较52

2.3.5 综合加宽53

2.4 速率方程组理论53

2.4.1 修正的爱因斯坦三系数53

2.4.2 三能级系统的速率方程组54

2.4.3 四能级系统的速率方程组56

2.5 稳态条件下粒子数密度反转分布及增益系数58

2.5.1 小信号条件下反转粒子数分布58

2.5.2 均匀加宽介质小信号增益系数60

2.5.3 非均匀加宽介质小信号增益系数61

2.5.4 均匀加宽大信号反转粒子数密度分布62

2.5.5 反转粒子数密度的饱和效应63

2.5.6 均匀加宽大信号增益系数66

2.5.7 非均匀加宽大信号反转粒子数密度分布69

2.5.8 非均匀加宽大信号增益系数71

第3章 光学谐振腔的几何理论及输出特性74

3.1 光学谐振腔的几何理论——光学变换矩阵74

3.1.1 光线在自由空间传播的光学变换矩阵75

3.1.2 光线经球面镜反射的光学变换矩阵75

3.1.3 共轴球面谐振腔的光学变换矩阵77

3.2 光学谐振腔的稳定性条件及其分类78

3.2.1 光学谐振腔的稳定性条件79

3.2.2 稳区图及其应用80

3.2.3 共轴球面腔分类82

3.3 光学谐振腔的损耗84

3.3.1 平均单程损耗因子δ85

3.3.2 谐振腔的寿命τc88

3.3.3 谐振腔的品质因数Q90

3.4 激光形成的阈值条件93

3.4.1 阈值增益系数93

3.4.2 阈值反转粒子数密度94

3.4.3 激光上能级阈值粒子数密度95

3.4.4 连续或长脉冲激光器的阈值泵浦功率96

3.4.5 短脉冲激光器的阈值泵浦功率97

3.5 模式竞争98

3.5.1 起振模式数计算98

3.5.2 均匀加宽激光器中的模式竞争99

3.5.3 非均匀加宽激光器中的模式竞争102

3.6 激光器的输出特性103

3.6.1 连续或长脉冲激光器的输出功率103

3.6.2 单模激光器的线宽极限106

第4章 光学谐振腔的衍射理论110

4.1 光学谐振腔的衍射理论——菲涅耳衍射积分方程110

4.1.1 菲涅耳-基尔霍夫衍射公式110

4.1.2 自再现模积分方程111

4.2 对称共焦腔光场分布特性114

4.2.1 方形镜共焦腔自再现模积分方程及其解115

4.2.2 方形镜共焦腔自再现模的特征116

4.2.3 方形镜共焦腔中的行波场119

4.2.4 圆形镜共焦腔自再现模积分方程的解120

4.2.5 圆形镜共焦腔自再现模的特征121

4.2.6 圆形镜共焦腔的行波场122

4.3 基模高斯光束的基本特点123

4.3.1 高斯光束的振幅分布和光斑尺寸123

4.3.2 高斯光束的相位分布124

4.3.3 模体积125

4.3.4 高斯光束的远场发散角126

4.4 透镜对高斯光束的作用126

4.4.1 薄透镜对高斯光束的变换126

4.4.2 薄透镜对高斯光束q参数的变换127

4.4.3 高斯光束的聚焦129

4.4.4 高斯光束的准直132

第5章 激光技术135

5.1 光波的调制技术135

5.1.1 激光调制的概念135

5.1.2 激光调制方法140

5.2 激光器选模技术145

5.2.1 选模的基本概念145

5.2.2 激光单横模的选取方法146

5.2.3 激光单纵模的选取方法149

5.3 激光器的稳频技术152

5.3.1 影响频率稳定的因素152

5.3.2 稳频方法154

5.4 激光调Q技术158

5.4.1 影响Q的因素及调Q原理158

5.4.2 调Q方法160

第6章 激光应用技术165

6.1 激光应用技术的理论基础165

6.1.1 激光与材料相互作用165

6.1.2 激光的吸收过程166

6.1.3 激光的热效应168

6.1.4 等离子体产生过程173

6.1.5 激光烧蚀过程174

6.2 激光技术在材料加工领域的应用175

6.2.1 激光熔覆技术175

6.2.2 激光焊接技术180

6.2.3 激光打孔技术181

6.2.4 激光切割182

6.2.5 激光快速成型183

6.3 激光在军事领域的应用184

6.3.1 激光测距184

6.3.2 激光雷达、激光导航和激光制导185

6.3.3 激光武器189

6.4 激光技术在生物、医学领域的应用190

6.4.1 激光在生物检测中的应用190

6.4.2 激光在医疗中的应用191

6.4.3 激光在医疗器械上的应用——激光刀192

6.5 其他新型激光应用技术193

6.5.1 激光输电技术193

6.5.2 激光空间碎片处理技术194

6.5.3 激光降雨技术197

附录199

附录1 常用物理常数199

附录2 常见光学元件的光学变换矩阵199

附录3 常用激光晶体的典型技术参数201

附录4 典型气体激光器基本实验数据201

附录5 典型固体激光器工作物质参数202

参考文献203