本書是“十二五”普通高等教育本科國家級規(guī)劃教材、“十三五”江蘇省高等學(xué)校重點(diǎn)教材和江蘇省本科優(yōu)秀培育教材。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(xué)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(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用。
陳鶴鳴 二級教授，博士生導(dǎo)師。中國工程教育專業(yè)認(rèn)證協(xié)會電子信息與電氣工程類專業(yè)認(rèn)證委員會委員、核心專家。中國通信學(xué)會光通信專業(yè)委員會委員、中國光學(xué)學(xué)會全息與光信息處理專業(yè)委員會委員、中國光學(xué)學(xué)會教育委員會常務(wù)委員，江蘇省光學(xué)學(xué)會常務(wù)理事。中國通信學(xué)會高級會員、中國電子學(xué)會高級會員。曾任教育部高等學(xué)校電子信息類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會委員，南京郵電大學(xué)貝爾英才學(xué)院院長、光電工程學(xué)院院長兼光通信研究所所長、教務(wù)處處長、高教所所長，江蘇省光通信工程技術(shù)研究中心主任。長期從事光通信與光電子技術(shù)的教學(xué)與科研工作，先后在Optics Express、Optics Letters、Applied Optics、 Electronics Letters、《物理學(xué)報(bào)》《光學(xué)學(xué)報(bào)》《通信學(xué)報(bào)》《中國激光》等重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文100余篇，其中被SCI和EI等檢索50余篇，出版教材4部、譯著1部，獲發(fā)明專利授權(quán)十余項(xiàng)。先后主持或參加國家級、自然科學(xué)基金、省部級科研項(xiàng)目和教改項(xiàng)目20余項(xiàng)。曾獲“江蘇省普通高校優(yōu)秀青年骨干教師”稱號、“郵電部高等院校優(yōu)秀青年骨干教師”稱號、首屆“江蘇省高等學(xué)校教學(xué)名師”稱號。作為專業(yè)負(fù)責(zé)人的“電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)”被評為國家特色專業(yè)建設(shè)點(diǎn)、江蘇省品牌專業(yè)，并于2013年通過了國家工程教育專業(yè)認(rèn)證；作為團(tuán)隊(duì)帶頭人的“光電子系列課程教學(xué)團(tuán)隊(duì)”獲2010年省級優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)；作為統(tǒng)稿人完成了“電子信息類專業(yè)教學(xué)質(zhì)量國家標(biāo)準(zhǔn)”。
目 錄
第1章 概述 1
1.1 激光發(fā)展簡史 1
1.2 激光的特性 3
1.2.1 方向性 3
1.2.2 單色性 4
1.2.3 相干性 5
1.2.4 高亮度 6
1.3 激光應(yīng)用簡介 7
習(xí)題與思考題一 11
第2章 激光產(chǎn)生的基本原理 12
2.1 原子發(fā)光的機(jī)理 12
2.1.1 原子的結(jié)構(gòu) 12
2.1.2 原子的能級 13
2.1.3 原子發(fā)光的機(jī)理 13
2.2 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收 13
2.2.1 自發(fā)輻射 14
2.2.2 受激輻射 15
2.2.3 受激吸收 15
2.2.4 三個愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系 16
2.3 激光產(chǎn)生的條件 17
2.3.1 受激輻射光放大 17
2.3.2 集居數(shù)反轉(zhuǎn) 18
2.3.3 激活粒子的能級系統(tǒng) 18
2.3.4 光的自激振蕩 20
2.4 激光器的基本組成與分類 22
2.4.1 激光器的基本組成 22
2.4.2 激光介質(zhì) 22
2.4.3 泵浦源 22
2.4.4 光學(xué)諧振腔 23
2.4.5 激光器的分類 24
習(xí)題與思考題二 26
第3章 光學(xué)諧振腔與激光模式 27
3.1 光學(xué)諧振腔的構(gòu)成和分類 27
3.1.1 構(gòu)成和分類 28
3.1.2 典型開放式光學(xué)諧振腔 29
3.2 激光模式 30
3.2.1 駐波與諧振頻率 30
3.2.2 縱模 31
3.2.3 橫模 33
3.3 光學(xué)諧振腔的損耗 34
3.3.1 光腔的損耗 34
3.3.2 光子在腔內(nèi)的平均壽命 37
3.3.3 無源腔的品質(zhì)因數(shù)—Q值 38
3.4 光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定性條件 38
3.4.1 腔內(nèi)光線往返傳播的矩陣表示 39
3.4.2 共軸球面腔的穩(wěn)定性條件 43
3.4.3 臨界腔 45
3.5 光學(xué)諧振腔的衍射理論基礎(chǔ) 46
3.5.1 自再現(xiàn)模 46
3.5.2 菲涅耳—基爾霍夫衍射積分 48
3.5.3 自再現(xiàn)模積分方程 49
3.5.4 自再現(xiàn)模積分方程解的物理
意義 50
3.6 平行平面腔的自再現(xiàn)模 51
3.6.1 平行平面鏡腔的自再現(xiàn)模積分
方程 52
3.6.2 平行平面腔模的數(shù)值迭代解法 52
3.6.3 單程衍射損耗、單程相移與諧振
頻率 54
3.7 對稱共焦腔的自再現(xiàn)模 55
3.7.1 方形鏡對稱共焦腔 56
3.7.2 圓形鏡對稱共焦腔 65
3.8 一般穩(wěn)定球面腔的模式理論 67
3.8.1 一般穩(wěn)定球面腔與共焦腔的
等價性 68
3.8.2 一般穩(wěn)定球面腔的模式特征 69
3.9 非穩(wěn)定諧振腔 71
3.9.1 非穩(wěn)腔的基本結(jié)構(gòu) 71
3.9.2 非穩(wěn)腔的幾何自再現(xiàn)波型 73
3.9.3 非穩(wěn)腔的幾何放大率 74
3.9.4 非穩(wěn)腔的能量損耗 75
3.9.5 非穩(wěn)腔的輸出耦合方式 76
3.9.6 非穩(wěn)腔的主要特點(diǎn) 77
習(xí)題與思考題三 78
第4章 高斯光束 80
4.1 高斯光束的基本性質(zhì) 80
4.1.1 高斯光束 80
4.1.2 高斯光束的基本性質(zhì) 82
4.1.3 高斯光束的特征參數(shù) 83
4.2 高斯光束的傳輸與變換規(guī)律 85
4.2.1 高斯光束的傳輸與變換規(guī)律 86
4.2.2 實(shí)例分析 88
4.3 高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直 89
4.3.1 高斯光束的聚焦 89
4.3.2 高斯光束的準(zhǔn)直 91
4.4 高斯光束的自再現(xiàn)變換 93
4.4.1 利用薄透鏡實(shí)現(xiàn)自再現(xiàn)變換 94
4.4.2 球面反射鏡對高斯光束的
自再現(xiàn)變換 94
4.5 高斯光束的匹配 95
4.6 激光束質(zhì)量因子 97
習(xí)題與思考題四 98
第5章 激光工作物質(zhì)的增益特性 101
5.1 譜線加寬與線型函數(shù) 101
5.1.1 譜線加寬概述 101
5.1.2 光譜線加寬的機(jī)理 102
5.1.3 均勻加寬、非均勻加寬和綜合
加寬 109
5.2 速率方程 111
5.2.1 對自發(fā)輻射、受激輻射、受激
吸收概率的修正 111
5.2.2 單模振蕩速率方程 114
5.2.3 多模振蕩速率方程 116
5.3 均勻加寬激光工作物質(zhì)對光的增益 117
5.3.1 增益系數(shù) 117
5.3.2 反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和 119
5.3.3 增益飽和 121
5.4 非均勻加寬激光工作物質(zhì)對光的增益 123
5.4.1 增益飽和 123
5.4.2 燒孔效應(yīng) 125
習(xí)題與思考題五 127
第6章 激光器的工作特性 131
6.1 連續(xù)與脈沖工作方式 131
6.1.1 短脈沖運(yùn)轉(zhuǎn) 132
6.1.2 長脈沖和連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 132
6.2 激光器的振蕩閾值 133
6.2.1 閾值增益系數(shù) 133
6.2.2 閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度 134
6.2.3 閾值泵浦功率和能量 134
6.3 激光器的振蕩模式 137
6.3.1 起振縱模數(shù) 137
6.3.2 均勻加寬激光器的輸出模式 138
6.3.3 非均勻加寬激光器的輸出
模式 140
6.4 連續(xù)激光器的輸出功率 141
6.4.1 均勻加寬單模激光器的輸出
功率 141
6.4.2 非均勻加寬單模激光器的輸出
功率 142
6.4.3 多模激光器 144
6.5 脈沖激光器的工作特性 144
6.5.1 短脈沖激光器的輸出能量 144
6.5.2 弛豫振蕩 145
習(xí)題與思考題六 146
第7章 激光特性的控制與改善 149
7.1 模式選擇 149
7.1.1 橫模選擇 149
7.1.2 縱模選擇 152
7.2 穩(wěn)頻技術(shù) 154
7.2.1 頻率的穩(wěn)定性 155
7.2.2 穩(wěn)頻方法 156
7.3 調(diào)Q技術(shù) 160
7.3.1 調(diào)Q激光器工作原理 161
7.3.2 Q調(diào)制方法 162
7.3.3 調(diào)Q激光器基本理論 166
7.4 超短脈沖技術(shù) 170
7.4.1 鎖模原理 170
7.4.2 鎖模方法 173
7.4.3 均勻加寬激光器主動鎖模自洽
理論 178
7.4.4 阿秒激光的產(chǎn)生與測量 180
7.5 激光調(diào)制技術(shù) 182
7.5.1 激光調(diào)制的基本概念 182
7.5.2 電光調(diào)制、聲光調(diào)制和磁光
調(diào)制 185
7.5.3 直接調(diào)制 188
7.6 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù) 189
7.6.1 機(jī)械偏轉(zhuǎn) 189
7.6.2 電光偏轉(zhuǎn) 190
7.6.3 聲光偏轉(zhuǎn) 191
7.7 光電器件設(shè)計(jì)及參數(shù)選用原則 191
7.7.1 電光調(diào)制器的設(shè)計(jì) 191
7.7.2 電光調(diào)Q激光器的設(shè)計(jì) 192
7.7.3 聲光調(diào)制器的設(shè)計(jì) 193
習(xí)題與思考題七 194
第8章 典型激光器 197
8.1 固體激光器 197
8.1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和泵浦
方式 197
8.1.2 紅寶石固體激光器 199
8.1.3 釹激光器 200
8.1.4 摻鈦藍(lán)寶石激光器 202
8.2 氣體激光器 203
8.2.1 氣體激光器的泵浦方式 203
8.2.2 氦氖激光器 203
8.2.3 二氧化碳激光器 205
8.2.4 氬離子激光器 207
8.3 染料激光器 208
8.3.1 染料激光器的泵浦方式與基本
結(jié)構(gòu) 209
8.3.2 染料激光器的工作原理 210
8.4 新型激光器 211
8.4.1 準(zhǔn)分子激光器 211
8.4.2 自由電子激光器 212
8.4.3 化學(xué)激光器 214
8.4.4 聲子激光器 215
8.4.5 納米激光器 217
8.4.6 生物激光器 221
習(xí)題與思考題八 225
第9章 半導(dǎo)體激光器 226
9.1 半導(dǎo)體激光器物理基礎(chǔ) 227
9.1.1 半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài) 227
9.1.2 半導(dǎo)體中載流子的分布與復(fù)合
發(fā)光 229
9.1.3 PN結(jié) 232
9.1.4 半導(dǎo)體激光材料 233
9.2 半導(dǎo)體激光器的工作原理 234
9.2.1 半導(dǎo)體激光器受激發(fā)光條件 234
9.2.2 半導(dǎo)體激光器有源介質(zhì)的增益
系數(shù) 236
9.2.3 閾值條件 236
9.2.4 半導(dǎo)體激光器的速率方程及其
穩(wěn)態(tài)解 237
9.3 半導(dǎo)體激光器有源區(qū)對載流子和光子的
限制 239
9.3.1 異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 239
9.3.2 量子阱激光器 242
9.3.3 光約束因子 243
9.4 半導(dǎo)體激光器的諧振腔結(jié)構(gòu) 244
9.4.1 FP腔半導(dǎo)體激光器 245
9.4.2 分布反饋式半導(dǎo)體激光器與
布拉格反射式半導(dǎo)體激光器 245
9.4.3 垂直腔表面發(fā)射半導(dǎo)體
激光器 249
9.5 半導(dǎo)體激光器的特性 251
9.5.1 閾值特性 251
9.5.2 半導(dǎo)體激光器的效率與輸出
功率 252
9.5.3 半導(dǎo)體激光器的輸出模式 253
9.5.4 動態(tài)特性 256
習(xí)題與思考題九 258
第10章 光通信系統(tǒng)中的激光器和放大器 260
10.1 半導(dǎo)體激光器在光纖通信中的應(yīng)用 260
10.1.1 作為光纖通信光源的半導(dǎo)體
激光器 260
10.1.2 半導(dǎo)體激光器在光纖通信中的
應(yīng)用與發(fā)展 262
10.2 光放大器 263
10.2.1 半導(dǎo)體光放大器 263
10.2.2 光纖放大器 265
10.2.3 半導(dǎo)體光放大器和光纖放大器
的比較 268
10.3 光纖激光器 269
10.3.1 摻雜光纖激光器 270
10.3.2 其他類型的光纖激光器 273
10.4 光子晶體激光器 274
10.4.1 光子晶體 274
10.4.2 光子晶體激光器 276
10.4.3 光子晶體激光器的應(yīng)用前景 278
10.5 用于無線激光通信的激光器 279
10.5.1 無線激光通信 279
10.5.2 用于無線激光通信的激光器 280
10.6 光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例 281
10.6.1 光纖通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 281
10.6.2 空間光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 286
習(xí)題與思考題十 287
第11章 激光全息技術(shù) 288
11.1 激光全息技術(shù)的原理和分類 288
11.1.1 激光全息的原理 288
11.1.2 全息照相的特點(diǎn) 290
11.1.3 激光全息技術(shù)的分類 291
11.2 白光再現(xiàn)的全息技術(shù) 292
11.2.1 白光反射全息 292
11.2.2 像面全息 292
11.2.3 彩虹全息 293
11.2.4 真彩色全息 295
11.3 幾種特殊的全息技術(shù) 295
11.3.1 計(jì)算全息 295
11.3.2 數(shù)字全息 296
11.3.3 合成全息 297
11.3.4 激光超聲全息 299
11.3.5 瞬態(tài)全息 300
11.4 激光全息技術(shù)的應(yīng)用 300
11.4.1 全息顯示和全息電影 300
11.4.2 全息干涉計(jì)量 301
11.4.3 全息顯微技術(shù) 303
11.4.4 全息光學(xué)元件 303
11.4.5 全息技術(shù)的其他應(yīng)用 306
習(xí)題與思考題十一 306
第12章 激光與物質(zhì)的相互作用 307
12.1 激光在物質(zhì)中的傳播 307
12.1.1 激光在物質(zhì)中的傳播和吸收 307
12.1.2 激光的散射 308
12.2 激光在晶體中的非線性光學(xué)現(xiàn)象 309
12.2.1 倍頻光的產(chǎn)生 310
12.2.2 相位匹配 310
12.3 激光對物質(zhì)的加熱與蒸發(fā) 311
12.3.1 激光熱蒸發(fā) 311
12.3.2 光化學(xué)效應(yīng)激光蒸發(fā) 312
12.4 激光誘導(dǎo)化學(xué)過程 312
12.4.1 激光切斷分子 313
12.4.2 激光引起的多光子吸收 314
12.4.3 液體、固體的光化學(xué)反應(yīng) 314
習(xí)題與思考題十二 314
第13章 激光在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 315
13.1 激光在信息領(lǐng)域的應(yīng)用 315
13.1.1 激光存儲 315
13.1.2 激光計(jì)算機(jī) 321
13.1.3 激光掃描 324
13.1.4 激光打印機(jī) 325
13.2 激光在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用 325
13.2.1 激光在精密計(jì)量中的應(yīng)用 325
13.2.2 激光在材料加工中的應(yīng)用 332
13.3 激光在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用 336
13.3.1 激光與生物體的相互作用 336
13.3.2 激光在生物體檢測及診斷中的
應(yīng)用 338
13.3.3 激光醫(yī)療 340
13.3.4 醫(yī)用激光光源 344
13.4 激光在國防科技領(lǐng)域的應(yīng)用 345
13.4.1 激光測距 345
13.4.2 激光雷達(dá) 347
13.4.3 激光制導(dǎo) 347
13.4.4 激光陀螺 348
13.4.5 激光武器 349
13.5 激光在科學(xué)技術(shù)前沿中的應(yīng)用 351
13.5.1 激光光譜學(xué) 351
13.5.2 激光核聚變 354
13.5.3 超短脈沖激光技術(shù) 357
13.5.4 激光冷卻與原子捕陷 358
13.5.5 利用激光操縱微粒 361
習(xí)題與思考題十三 361
附錄A 典型氣體激光器基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 363
附錄B 典型固體激光介質(zhì)參數(shù) 364
參考文獻(xiàn) 365
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