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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δ 85

3.3.2 谐振腔的寿命τc 88

3.3.3 谐振腔的品质因数Q 90

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