激光原理及應用(第3版)（簡體書）

《激光原理及應用（第3版）》從內容上分為兩部分。第1～5章介紹激光的基本理論，從激光的物理學基礎出發，著重闡明物理概念，以及激光輸出特性與激光器的參數之間的關係，儘量避免過多的理論計算，以掌握激光器的選擇和使用為主要目的；第6～10章介紹激光在計量、加工、醫學、信息技術，以及現代科技前沿問題中的應用，重點介紹各種應用的思路和方法。

《普通高等教育"十一五"國家級規劃教材?光電信息科學與工程類專業規劃教材:激光原理及應用(第3版)》著重闡明受激輻射的物理概念，以及激光輸出特性與激光器的參數之間的關系，以掌握激光器的選擇和使用為主要目的。書中激光應用有關章節都由長期從事該領域教學與科研的專家編寫，介紹了近年來的新發展，重點講各種應用的思路和方法；每章都有適當的思考練習題，可以幫助讀者加深理解學到的理論并掌握應用方法，是一本很有特色的教材。相信《普通高等教育"十一五"國家級規劃教材?光電信息科學與工程類專業規劃教材:激光原理及應用(第3版)》的出版對于激光技術的推廣與教學會起到很有益的促進作用。

第1章輻射理論概要與激光產生的條件
1．1光的波粒二象性
1．1．1光波
1．1．2光子
1．2原子的能級和輻射躍遷
1．2．1原子能級和簡並度
1．2．2原子狀態的標記
1．2．3玻爾茲曼分佈
1．2．4輻射躍遷和非輻射躍遷
1．3光的受激輻射
1．3．1黑體熱輻射
1．3．2光和物質的作用
1．3．3自發輻射、受激輻射和受激吸收之間的關係
1．3．4自發輻射光功率與受激輻射光功率
1．4光譜線增寬
1．4．1光譜線、線型和光譜線寬度
1．4．2自然增寬
1．4．3碰撞增寬
1．4．4多普勒增寬
1．4．5均勻增寬和非均勻增寬線型
1．4．6綜合增寬
1．5激光形成的條件
1．5．1介質中光的受激輻射放大
1．5．2光學諧振腔和閾值條件
思考練習題1

第2章激光器的工作原理
2．1光學諧振腔結構與穩定性
2．1．1共軸球面諧振腔的穩定性條件
2．1．2共軸球面腔的穩定圖及其分類
2．1．3穩定圖的應用
2．2速率方程組與粒子數反轉
2．2．1三能級系統和四能級系統
2．2．2速率方程組
2．2．3穩態工作時的粒子數密度反轉分佈
2．2．4小信號工作時的粒子數密度反轉分佈
2．2．5均勻增寬型介質的粒子數密度反轉分佈
2．2．6均勻增寬型介質粒子數密度反轉分佈的飽和效應
2．3均勻增寬介質的增益係數和增益飽和
2．3．1均勻增寬介質的增益係數
2．3．2均勻增寬介質的增益飽和
2．4非均勻增寬介質的增益飽和
2．4．1介質在小信號時的粒子數密度反轉分佈值
2．4．2非均勻增寬型介質在小信號時的增益係數
2．4．3非均勻增寬型介質穩態粒子數密度反轉分佈
2．4．4非均勻增寬型介質穩態情況下的增益飽和
2．5激光器的損耗與閾值條件
2．5．1激光器的損耗
2．5．2激光諧振腔內形成穩定光強的過程
2．5．3閾值條件
2．5．4對介質能級選取的討論
思考練習題2

第3章激光器的輸出特性
3．1光學諧振腔的衍射理論
3．1．1菲涅耳?基爾霍夫衍射公式
3．1．2光學諧振腔的自再現模積分方程
3．1．3激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模
3．2對稱共焦腔內外的光場分佈
3．2．1共焦腔鏡面上的場分佈
3．2．2共焦腔中的行波場與腔內外的光場分佈
3．3高斯光束的傳播特性
3．3．1高斯光束的振幅和強度分佈
3．3．2高斯光束的相位分佈
3．3．3高斯光束的遠場發散角
3．3．4高斯光束的高亮度
3．4穩定球面腔的光束傳播特性
3．4．1穩定球面腔的等價對稱共焦腔
3．4．2穩定球面腔的光束傳播特性
3．5激光器的輸出功率
3．5．1均勻增寬型介質激光器的輸出功率
3．5．2非均勻增寬型介質激光器的輸出功率
3．6激光器的線寬極限
3．7激光光束質量的品質因子M2
思考練習題3

第4章激光的基本技術
4．1激光器輸出的選模
4．1．1激光單縱模的選取
4．1．2激光單橫模的選取
4．2激光器的穩頻
4．2．1影響頻率穩定的因素
4．2．2穩頻方法概述
4．2．3蘭姆凹陷法穩頻
4．2．4飽和吸收法穩頻
4．3激光束的變換
4．3．1高斯光束通過薄透鏡時的變換
4．3．2高斯光束的聚焦
4．3．3高斯光束的准直
4．3．4激光的擴束
4．4激光調製技術
4．4．1激光調製的基本概念
4．4．2電光強度調製
4．4．3電光相位調製
4．5激光偏轉技術
4．5．1機械偏轉
4．5．2電光偏轉
4．5．3聲光偏轉
4．6激光調Q技術
4．6．1激光諧振腔的品質因數Q
4．6．2調Q原理
4．6．3電光調Q
4．6．4聲光調Q
4．6．5染料調Q
4．7激光鎖模技術
4．7．1鎖模原理
4．7．2主動鎖模
4．7．3被動鎖模
思考練習題4

第5章典型激光器介紹
5．1固體激光器
5．1．1固體激光器的基本結構與工作物質
5．1．2固體激光器的泵浦系統
5．1．3固體激光器的輸出特性
5．1．4新型固體激光器
5．2氣體激光器
5．2．1氦氖（He?Ne）激光器
5．2．2二氧化碳激光器
5．2．3Ar＋離子激光器
5．3染料激光器
5．3．1染料激光器的激發機理
5．3．2染料激光器的泵浦
5．3．3染料激光器的調諧
5．4半導體激光器
5．4．1半導體的能帶和產生受激輻射的條件
5．4．2PN結和粒子數反轉
5．4．3半導體激光器的工作原理和閾值條件
5．4．4同質結和異質結半導體激光器
5．5其他激光器
5．5．1准分子激光器
5．5．2自由電子激光器
5．5．3化學激光器
思考練習題5

第6章激光在精密測量中的應用
6．1激光干涉測長
6．1．1干涉測長的基本原理
6．1．2激光干涉測長系統的組成
6．1．3激光外差干涉測長技術
6．1．4激光干涉測長應用舉例
6．2激光衍射測量
6．2．1激光衍射測量原理
6．2．2激光衍射測量的方法
6．2．3激光衍射測量的應用
6．3激光測距
6．3．1激光脈沖測距
6．3．2激光相位測距
6．4激光准直及多自由度測量
6．4．1激光准直儀
6．4．2激光衍射准直儀
6．4．3激光多自由度測量
6．5激光多普勒測速
6．5．1運動微粒散射光的頻率
6．5．2差頻法測速
6．5．3激光多普勒測速技術的應用
6．6環形激光測量角度和角加速度
6．6．1環形激光精密測角
6．6．2光纖陀螺
6．7激光環境計量
6．8激光散射板干涉儀
思考練習題6

第7章激光加工技術
7．1激光熱加工原理
7．2激光表面改性技術
7．2．1激光淬火技術的原理與應用
7．2．2激光表面熔凝技術
7．2．3激光熔覆技術
7．3激光去除材料技術
7．3．1激光打孔
7．3．2激光切割
7．4激光焊接
7．4．1激光熱導焊
7．4．2激光深熔焊
7．4．3激光複合焊
7．5激光快速成型技術
7．5．1激光快速成型技術的原理及主要優點
7．5．2激光快速成型技術
7．5．3激光快速成型技術的重要應用
7．6其他激光加工技術
7．6．1激光清洗技術
7．6．2激光彎曲
思考練習題7

第8章激光在醫學中的應用
8．1激光與生物體的相互作用
8．1．1生物體的光學特性
8．1．2激光對生物體的作用
8．1．3激光對生物體應用的優點
8．2激光在臨床治療中的應用
8．2．1激光臨床治療的種類與現狀
8．2．2激光在皮膚科及整形外科領域中的應用
8．2．3激光在眼科中的應用
8．2．4激光在泌尿外科中的應用
8．2．5激光在耳鼻喉科中的應用
8．2．6最新的技術：間質激光光凝術
8．2．7光動力學治療
8．3激光在生物體檢測及診斷中的應用
8．3．1利用激光的生物體光譜測量及診斷
8．3．2激光斷層攝影
8．3．3激光顯微鏡
8．4醫用激光設備
8．4．1醫用激光光源
8．4．2醫用激光傳播用光纖
8．5激光應用于醫學的未來
8．5．1醫用激光新技術
8．5．2光動力學治療的前景
思考練習題8

第9章激光在信息技術中的應用
9．1光纖通信系統中的激光器和光放大器
9．1．1半導體激光器
9．1．2光纖激光器
9．1．3光放大器
9．2激光全息三維顯示
9．2．1全息術的歷史回顧
9．2．2激光全息術的基本原理和分類
9．2．3白光再現的全息三維顯示
9．2．4計算全息圖
9．2．5數字全息術
9．2．6全息三維顯示的優點
9．2．7全息三維顯示的應用
9．2．8全息三維顯示技術的展望
9．3激光存儲技術
9．3．1激光存儲的基本原理、分類及特點
9．3．2激光光盤存儲
9．3．3激光體全息光存儲
9．3．4激光存儲技術的新進展［77，85，90，91，92］
9．4激光掃描和激光打印機
9．4．1激光掃描
9．4．2激光打印機
9．5量子光通信中的激光源
9．5．1量子光通信
9．5．2量子態發生器及應用
思考練習題9

第10章激光在科學技術前沿問題中的應用
10．1激光核聚變
10．1．1受控核聚變
10．1．2磁力約束和慣性約束控制方法
10．1．3激光壓縮點燃核聚變的原理
10．2激光冷卻
10．3激光操縱微粒
10．3．1光捕獲
10．3．2微粒操縱
10．4激光誘導化學過程
10．4．1激光波長和離解能的關係
10．4．2激光切斷分子
10．4．3液體、固體的光化學反應
10．5激光光譜學
10．5．1拉曼光譜
10．5．2空間高分辨的激光顯微光譜
10．5．3頻率高分辨的雙光子光譜
10．5．4時間高分辨的激光閃光光譜
10．5．5各種特殊效能的激光光譜技術
10．6激光用於反常多普勒效應的基礎物理研究
10．6．1電磁波的正常多普勒效應
10．6．2在負折射率材料中傳播的電磁波的反常多普勒效應
10．6．3折射光子晶體棱鏡的設計以及負折射性質的實驗驗證
10．6．4反常多普勒效應的測量光路設計及理論分析
10．6．5反常多普勒效應的測量實驗結果
思考練習題10

第7章 激光加工技術
激光的亮度高、方向性好的特點使光能（功率）可以集中在很小的區域內，因此，自第一臺激光器誕生以后，人們就開始探索激光在加工領域中的應用。20世紀70年代初期，Nd:YAG激光開始用于工業生產。隨著大功率激光器與各種激光技術的發展，激光與材料相互作用研究的深入，激光加工已經成為加工領域中的一種常用技術。激光加工作為一種非接觸、無污染、低噪聲、節省材料的綠色加工技術還具有信息時代的特點，便于實現智能控制，實現加工技術的高度柔性化和模塊化，實現各種先進加工技術的集成。因此，激光加工已經成為21世紀先進制造技術中不可缺少的一部分。
激光加工指的是激光束作用于物體表面而引起的物體成形或改性的加工過程。按照光與物質作用的機理，可分為激光熱加工與激光光化學反應加工（33）。激光熱加工是基于激光束照射物體所引起的快速熱效應的各種加工過程。激光光化學反應是借助于高密度高能光子引發或控制光化學反應的各種加工過程。兩種加工方法都可對材料進行切割、打孔、刻槽、標記。前者對于金屬材料焊接、表面改性、合金化更有利，后者則適用于光化學沉積、激光刻蝕、摻雜和氧化。激光熱加工現在已發展得比較成熟，本章主要討論與激光熱加工有關的問題。激光誘導化學過程將在第10章中作簡單介紹。
7.1 激光熱加工原理
本節討論激光熱加工的原理。無論哪一種激光加工方法，都要將一定功率的激光束聚焦于被加工物體上，使激光與物質相互作用。以金屬加工為例，在功率密度為104—1011W?cm-2的激光聚焦照射下，物表面將吸收大量激光能量。隨著照射時間的推移，激光束與金屬表面之間會產生多種相互作用過程。首先是熱吸收過程，使材料局部升溫。激光脈沖能量足夠高，脈寬足夠窄，會產生沖擊強化過程。隨著熱作用的持續，溫度升高，導致表面熔化過程。繼續照射，熔池會向內部發展，熔池表面發生汽化過程。幾乎與此同時，等離子體開始產生，形成的汽化物和等離子體產生屏蔽現象。持續照射，屏蔽作用減弱，稱作復合過程（34）。