激光原理与技术(清华大学测控技术与仪器系列教材)

激光原理与技术(清华大学测控技术与仪器系列教材)
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2020-12
ISBN: 9787302562849
  • 本教材共11章,第1~4章为激光原理,重点阐述激光的产生原理和过程,包括光子的描述、爱因斯坦受激辐射理论、激光器的基本结构和激光特性、光学谐振腔的相关理论、光与物质的相互作用、速率方程、激光振荡特性等内容;第5~11章为激光技术部分,重点介绍提高激光输出特性的方法和实现过程,如激光调制技术、调Q技术、模式控制、频率变换等技术。在每章后配有思维导图进行归纳总结,并辅以思考题和练习题。本教材适合作为高度院校光电子技术、光信息科学与技术等本科专业教材,也可以作为激光加工和制造等相关科技人员的参考书。 柳强,教授,博士生导师,长江学者特聘教授,现任光子测控技术教育部重点实验室主任,十三五国家重点研发计划项目首席。主要从事全固态激光及频率变换技术研究。主持了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等20余项目的研究工作,获得省部级以上奖励5项,入选教育部新世纪优秀人才支持计划,获得清华大学学术新人奖,发表SCI收录论文100余篇,现任中国光学学会理事,《中国激光》,《激光技术》编委等。
     

     
    目录 

     
    绪论 

     

     
    第1章激光基本原理 

     
    1.1光的描述 

     
    1.1.1电磁理论 

     
    1.1.2光量子理论 

     
    1.1.3两种理论的统一――光波模式和光子状态 

     
    1.2光子的相干性 

     
    1.2.1光子的相干性 

     
    1.2.2光子简并度 

     
    1.3激光的基本概念 

     
    1.3.1原子的能级 

     
    1.3.2爱因斯坦受激辐射理论 

     
    1.3.3光的受激辐射放大 

     
    1.3.4光的自激振荡 

     
    1.3.5产生激光的条件 

     
    1.4激光器的基本结构 

     
    1.4.1工作物质 

     
    1.4.2泵浦源 

     
    1.4.3光学谐振腔 

     
    1.5激光的特性 

     
    1.5.1方向性和空间相干性 

     
    1.5.2单色性和时间相干性 

     
    1.5.3高亮度(强相干光) 

     
    本章小结 

     
    习题 

     

     
    第2章光学谐振腔 

     
    2.1光学谐振腔的基本概念 

     
    2.1.1光腔的构成和分类 

     
    2.1.2光腔的模式 

     
    2.1.3光腔的损耗 

     
    2.1.4光子在腔内的平均寿命 

     

     

     
    目录 

     

     
    激光原理与技术 

     
    2.1.5光腔的品质因数 

     
    2.2共轴球面腔的稳定性条件 

     
    2.2.1几何光学的矩阵分析 

     
    2.2.2共轴球面腔的稳定性条件 

     
    2.2.3谐振腔的稳区图 

     
    2.3谐振腔的本征模式和衍射积分理论分析方法 

     
    2.3.1谐振腔的本征模式 

     
    2.3.2孔阑传输线 

     
    2.3.3菲涅尔不尔霍夫衍射积分 

     
    2.3.4自再现模的积分方程 

     
    2.3.5复常数γ的意义 

     
    2.3.6分离变量法 

     
    2.4方形镜共焦腔的自再现模 

     
    2.4.1求解积分方程 

     
    2.4.2镜面上场的分布 

     
    2.4.3单程损耗 

     
    2.4.4单程相移与谐振频率 

     
    2.4.5腔内、外的行波场 

     
    2.5高斯光束的传播特性 

     
    2.5.1振幅分布和光斑尺寸 

     
    2.5.2相位分布 

     
    2.5.3远场发散角 

     
    2.6圆形镜共焦腔的模 

     
    2.6.1拉盖尔哺咚菇似 

     
    2.6.2模的特征 

     
    2.6.3行波场 

     
    2.7一般稳定球面腔的模式特征 

     
    2.7.1等价共焦腔 

     
    2.7.2一般稳定球面腔的模式特征 

     
    2.8高斯光束 

     
    2.8.1高斯光束的性质和q参数 

     
    2.8.2高斯光束的变换规律 

     
    2.8.3高斯光束的聚焦 

     
    2.8.4高斯光束的准直 

     
    2.9激光光束质量因子 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第3章光场与物质的相互作用 

     
    3.1光场与物质相互作用的理论 

     
    3.1.1光场与物质相互作用的理论体系 

     
    3.1.2光场与物质相互作用的经典理论 

     
    3.2谱线加宽和线型函数 

     
    3.2.1基本概念 

     
    3.2.2均匀加宽 

     
    3.2.3非均匀加宽 

     
    3.2.4综合加宽 

     
    3.3典型激光器速率方程 

     
    3.3.1爱因斯坦系数的修正 

     
    3.3.2单模振荡速率方程组 

     
    3.4小信号增益系数 

     
    3.4.1增益系数 

     
    3.4.2反转粒子数 

     
    3.4.3小信号增益系数 

     
    3.5大信号增益系数 

     
    3.5.1反转粒子数饱和 

     
    3.5.2均匀加宽工作物质的大信号增益系数 

     
    3.5.3非均匀加宽工作物质的大信号增益系数 

     
    3.5.4综合加宽工作物质的大信号增益系数 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第4章激光振荡特性 

     
    4.1连续激光器和脉冲激光器 

     
    4.2连续激光器的振荡特性 

     
    4.2.1阈值条件 

     
    4.2.2振荡模式 

     
    4.2.3输出功率 

     
    4.3脉冲激光器的振荡特性 

     
    4.3.1阈值条件 

     
    4.3.2输出能量 

     
    4.3.3激光器的效率 

     
    4.4弛豫振荡 

     
    4.4.1弛豫振荡的形成过程 

     
    4.4.2弛豫振荡的线性近似分析 

     
    4.5单模激光器的线宽极限 

     
    4.6激光器的频率牵引 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第5章激光调制技术 

     
    5.1激光调制的基本概念 

     
    5.1.1激光调制的分类 

     
    5.1.2内调制和外调制 

     
    5.1.3模拟调制 

     
    5.1.4数字调制 

     
    5.1.5激光调制的特点 

     
    5.2电光调制 

     
    5.2.1电光调制的物理基础 

     
    5.2.2电光强度调制 

     
    5.2.3电光相位调制 

     
    5.3声光调制 

     
    5.3.1声光调制的物理基础 

     
    5.3.2声光衍射 

     
    5.3.3声光调制器 

     
    5.4磁光调制 

     
    5.4.1磁光效应 

     
    5.4.2磁光调制器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第6章激光调Q技术 

     
    6.1调Q的基本原理 

     
    6.1.1调Q的工作原理 

     
    6.1.2调Q技术的分类 

     
    6.1.3调Q对激光器的要求 

     
    6.2调Q激光器速率方程 

     
    6.2.1调Q激光器的速率方程 

     
    6.2.2调Q速率方程的解 

     
    6.3电光调Q 

     
    6.3.1基本原理 

     
    6.3.2典型电光调Q方法 

     
    6.3.3设计电光调Q激光器应考虑的问题 

     
    6.4声光调Q 

     
    6.4.1基本原理 

     
    6.4.2声光调Q器件的结构 

     
    6.4.3声光调Q激光器的输出特性 

     
    6.5被动调Q 

     
    6.5.1被动调Q原理 

     
    6.5.2典型被动调Q激光器 

     
    6.6PTM调Q 

     
    6.6.1PTM电光调Q 

     
    6.6.2PTM声光调Q 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第7章模式选择技术 

     
    7.1横模选择原理 

     
    7.1.1单横模激光器 

     
    7.1.2横模选择原理 

     
    7.2横模选择方法 

     
    7.2.1参数选择法 

     
    7.2.2小孔光阑法 

     
    7.2.3透镜法 

     
    7.2.4非稳腔法 

     
    7.3纵模选择原理和方法 

     
    7.3.1纵模选择原理 

     
    7.3.2纵模选择方法 

     
    7.4模式测量方法 

     
    7.4.1直接观测法 

     
    7.4.2光点扫描法 

     
    7.4.3扫描干涉仪法 

     
    7.4.4FP照相法 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第8章锁模技术 

     
    8.1超短脉冲概述 

     
    8.2锁模的基本原理 

     
    8.2.1多纵模激光器的输出特性 

     
    8.2.2锁模的基本原理 

     
    8.3主动锁模 

     
    8.3.1振幅调制锁模 

     
    8.3.2相位调制锁模 

     
    8.3.3主动锁模激光器 

     
    8.4被动锁模 

     
    8.4.1固体激光器的被动锁模 

     
    8.4.2染料激光器的被动锁模 

     
    8.5同步泵浦锁模 

     
    8.5.1同步泵浦锁模原理 

     
    8.5.2同步泵浦锁模激光器 

     
    8.6自锁模 

     
    8.6.1自锁模原理 

     
    8.6.2自锁模掺钛蓝宝石激光器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第9章稳频技术 

     
    9.1频率的稳定性 

     
    9.1.1频率的稳定性和复现性 

     
    9.1.2影响频率稳定性的因素 

     
    9.1.3稳频方法 

     
    9.1.4对标准频率的要求 

     
    9.2兰姆凹陷稳频 

     
    9.2.1系统组成 

     
    9.2.2工作原理 

     
    9.2.3注意事项 

     
    9.3塞曼效应稳频 

     
    9.3.1纵向塞曼效应 

     
    9.3.2塞曼效应双频稳频激光器 

     
    9.3.3塞曼效应吸收稳频 

     
    9.4饱和吸收稳频 

     
    9.4.1系统组成 

     
    9.4.2工作原理 

     
    9.5其他稳频激光器 

     
    9.5.1CO2激光器的稳频 

     
    9.5.2固体脉冲激光器的稳频 

     
    9.5.3半导体激光器的稳频 

     
    9.5.4光纤激光器的稳频 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第10章频率变换技术 

     
    10.1非线性极化 

     
    10.1.1原子的电极化 

     
    10.1.2非线性极化 

     
    10.1.3非线性介质中的波耦合方程 

     
    10.2激光倍频技术 

     
    10.2.1倍频的波耦合方程 

     
    10.2.2相位匹配的意义 

     
    10.2.3准相位匹配方法 

     
    10.2.4倍频方式 

     
    10.3和频与三倍频技术 

     
    10.3.1和频技术 

     
    10.3.2三倍频技术 

     
    10.4光参量振荡技术 

     
    10.4.1光参量放大 

     
    10.4.2光参量振荡 

     
    10.4.3光参量振荡运转方式 

     
    10.4.4光参量振荡器的频率调谐方法 

     
    10.5受激拉曼散射技术 

     
    10.5.1拉曼散射 

     
    10.5.2受激拉曼散射的调谐作用 

     
    10.5.3拉曼散射激光器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第11章固体激光器 

     
    11.1固体激光器的基本原理 

     
    11.1.1固体激光器的基本结构 

     
    11.1.2固体激光放大器的结构 

     
    11.1.3固体激光器的能量转换 

     
    11.2固体工作物质 

     
    11.2.1红宝石晶体 

     
    11.2.2掺钕钇铝石榴石晶体 

     
    11.2.3钕玻璃 

     
    11.2.4激光陶瓷 

     
    11.2.5铒玻璃(掺铒磷酸盐玻璃) 

     
    11.2.6掺钬钇铝石榴石 

     
    11.2.7掺钛蓝宝石晶体 

     
    11.3泵浦光源 

     
    11.3.1惰性气体放电灯 

     
    11.3.2激光二极管 

     
    11.3.3太阳光 

     
    11.4典型固体激光器 

     
    11.4.1灯泵固体激光器 

     
    11.4.2侧面泵浦固体激光器 

     
    11.4.3端面泵浦固体激光器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    附录 

     
    参考文献 

     

  • 内容简介:
    本教材共11章,第1~4章为激光原理,重点阐述激光的产生原理和过程,包括光子的描述、爱因斯坦受激辐射理论、激光器的基本结构和激光特性、光学谐振腔的相关理论、光与物质的相互作用、速率方程、激光振荡特性等内容;第5~11章为激光技术部分,重点介绍提高激光输出特性的方法和实现过程,如激光调制技术、调Q技术、模式控制、频率变换等技术。在每章后配有思维导图进行归纳总结,并辅以思考题和练习题。本教材适合作为高度院校光电子技术、光信息科学与技术等本科专业教材,也可以作为激光加工和制造等相关科技人员的参考书。
  • 作者简介:
    柳强,教授,博士生导师,长江学者特聘教授,现任光子测控技术教育部重点实验室主任,十三五国家重点研发计划项目首席。主要从事全固态激光及频率变换技术研究。主持了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金等20余项目的研究工作,获得省部级以上奖励5项,入选教育部新世纪优秀人才支持计划,获得清华大学学术新人奖,发表SCI收录论文100余篇,现任中国光学学会理事,《中国激光》,《激光技术》编委等。
  • 目录:

     

     
    目录 

     
    绪论 

     

     
    第1章激光基本原理 

     
    1.1光的描述 

     
    1.1.1电磁理论 

     
    1.1.2光量子理论 

     
    1.1.3两种理论的统一――光波模式和光子状态 

     
    1.2光子的相干性 

     
    1.2.1光子的相干性 

     
    1.2.2光子简并度 

     
    1.3激光的基本概念 

     
    1.3.1原子的能级 

     
    1.3.2爱因斯坦受激辐射理论 

     
    1.3.3光的受激辐射放大 

     
    1.3.4光的自激振荡 

     
    1.3.5产生激光的条件 

     
    1.4激光器的基本结构 

     
    1.4.1工作物质 

     
    1.4.2泵浦源 

     
    1.4.3光学谐振腔 

     
    1.5激光的特性 

     
    1.5.1方向性和空间相干性 

     
    1.5.2单色性和时间相干性 

     
    1.5.3高亮度(强相干光) 

     
    本章小结 

     
    习题 

     

     
    第2章光学谐振腔 

     
    2.1光学谐振腔的基本概念 

     
    2.1.1光腔的构成和分类 

     
    2.1.2光腔的模式 

     
    2.1.3光腔的损耗 

     
    2.1.4光子在腔内的平均寿命 

     

     

     
    目录 

     

     
    激光原理与技术 

     
    2.1.5光腔的品质因数 

     
    2.2共轴球面腔的稳定性条件 

     
    2.2.1几何光学的矩阵分析 

     
    2.2.2共轴球面腔的稳定性条件 

     
    2.2.3谐振腔的稳区图 

     
    2.3谐振腔的本征模式和衍射积分理论分析方法 

     
    2.3.1谐振腔的本征模式 

     
    2.3.2孔阑传输线 

     
    2.3.3菲涅尔不尔霍夫衍射积分 

     
    2.3.4自再现模的积分方程 

     
    2.3.5复常数γ的意义 

     
    2.3.6分离变量法 

     
    2.4方形镜共焦腔的自再现模 

     
    2.4.1求解积分方程 

     
    2.4.2镜面上场的分布 

     
    2.4.3单程损耗 

     
    2.4.4单程相移与谐振频率 

     
    2.4.5腔内、外的行波场 

     
    2.5高斯光束的传播特性 

     
    2.5.1振幅分布和光斑尺寸 

     
    2.5.2相位分布 

     
    2.5.3远场发散角 

     
    2.6圆形镜共焦腔的模 

     
    2.6.1拉盖尔哺咚菇似 

     
    2.6.2模的特征 

     
    2.6.3行波场 

     
    2.7一般稳定球面腔的模式特征 

     
    2.7.1等价共焦腔 

     
    2.7.2一般稳定球面腔的模式特征 

     
    2.8高斯光束 

     
    2.8.1高斯光束的性质和q参数 

     
    2.8.2高斯光束的变换规律 

     
    2.8.3高斯光束的聚焦 

     
    2.8.4高斯光束的准直 

     
    2.9激光光束质量因子 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第3章光场与物质的相互作用 

     
    3.1光场与物质相互作用的理论 

     
    3.1.1光场与物质相互作用的理论体系 

     
    3.1.2光场与物质相互作用的经典理论 

     
    3.2谱线加宽和线型函数 

     
    3.2.1基本概念 

     
    3.2.2均匀加宽 

     
    3.2.3非均匀加宽 

     
    3.2.4综合加宽 

     
    3.3典型激光器速率方程 

     
    3.3.1爱因斯坦系数的修正 

     
    3.3.2单模振荡速率方程组 

     
    3.4小信号增益系数 

     
    3.4.1增益系数 

     
    3.4.2反转粒子数 

     
    3.4.3小信号增益系数 

     
    3.5大信号增益系数 

     
    3.5.1反转粒子数饱和 

     
    3.5.2均匀加宽工作物质的大信号增益系数 

     
    3.5.3非均匀加宽工作物质的大信号增益系数 

     
    3.5.4综合加宽工作物质的大信号增益系数 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第4章激光振荡特性 

     
    4.1连续激光器和脉冲激光器 

     
    4.2连续激光器的振荡特性 

     
    4.2.1阈值条件 

     
    4.2.2振荡模式 

     
    4.2.3输出功率 

     
    4.3脉冲激光器的振荡特性 

     
    4.3.1阈值条件 

     
    4.3.2输出能量 

     
    4.3.3激光器的效率 

     
    4.4弛豫振荡 

     
    4.4.1弛豫振荡的形成过程 

     
    4.4.2弛豫振荡的线性近似分析 

     
    4.5单模激光器的线宽极限 

     
    4.6激光器的频率牵引 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第5章激光调制技术 

     
    5.1激光调制的基本概念 

     
    5.1.1激光调制的分类 

     
    5.1.2内调制和外调制 

     
    5.1.3模拟调制 

     
    5.1.4数字调制 

     
    5.1.5激光调制的特点 

     
    5.2电光调制 

     
    5.2.1电光调制的物理基础 

     
    5.2.2电光强度调制 

     
    5.2.3电光相位调制 

     
    5.3声光调制 

     
    5.3.1声光调制的物理基础 

     
    5.3.2声光衍射 

     
    5.3.3声光调制器 

     
    5.4磁光调制 

     
    5.4.1磁光效应 

     
    5.4.2磁光调制器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第6章激光调Q技术 

     
    6.1调Q的基本原理 

     
    6.1.1调Q的工作原理 

     
    6.1.2调Q技术的分类 

     
    6.1.3调Q对激光器的要求 

     
    6.2调Q激光器速率方程 

     
    6.2.1调Q激光器的速率方程 

     
    6.2.2调Q速率方程的解 

     
    6.3电光调Q 

     
    6.3.1基本原理 

     
    6.3.2典型电光调Q方法 

     
    6.3.3设计电光调Q激光器应考虑的问题 

     
    6.4声光调Q 

     
    6.4.1基本原理 

     
    6.4.2声光调Q器件的结构 

     
    6.4.3声光调Q激光器的输出特性 

     
    6.5被动调Q 

     
    6.5.1被动调Q原理 

     
    6.5.2典型被动调Q激光器 

     
    6.6PTM调Q 

     
    6.6.1PTM电光调Q 

     
    6.6.2PTM声光调Q 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第7章模式选择技术 

     
    7.1横模选择原理 

     
    7.1.1单横模激光器 

     
    7.1.2横模选择原理 

     
    7.2横模选择方法 

     
    7.2.1参数选择法 

     
    7.2.2小孔光阑法 

     
    7.2.3透镜法 

     
    7.2.4非稳腔法 

     
    7.3纵模选择原理和方法 

     
    7.3.1纵模选择原理 

     
    7.3.2纵模选择方法 

     
    7.4模式测量方法 

     
    7.4.1直接观测法 

     
    7.4.2光点扫描法 

     
    7.4.3扫描干涉仪法 

     
    7.4.4FP照相法 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第8章锁模技术 

     
    8.1超短脉冲概述 

     
    8.2锁模的基本原理 

     
    8.2.1多纵模激光器的输出特性 

     
    8.2.2锁模的基本原理 

     
    8.3主动锁模 

     
    8.3.1振幅调制锁模 

     
    8.3.2相位调制锁模 

     
    8.3.3主动锁模激光器 

     
    8.4被动锁模 

     
    8.4.1固体激光器的被动锁模 

     
    8.4.2染料激光器的被动锁模 

     
    8.5同步泵浦锁模 

     
    8.5.1同步泵浦锁模原理 

     
    8.5.2同步泵浦锁模激光器 

     
    8.6自锁模 

     
    8.6.1自锁模原理 

     
    8.6.2自锁模掺钛蓝宝石激光器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第9章稳频技术 

     
    9.1频率的稳定性 

     
    9.1.1频率的稳定性和复现性 

     
    9.1.2影响频率稳定性的因素 

     
    9.1.3稳频方法 

     
    9.1.4对标准频率的要求 

     
    9.2兰姆凹陷稳频 

     
    9.2.1系统组成 

     
    9.2.2工作原理 

     
    9.2.3注意事项 

     
    9.3塞曼效应稳频 

     
    9.3.1纵向塞曼效应 

     
    9.3.2塞曼效应双频稳频激光器 

     
    9.3.3塞曼效应吸收稳频 

     
    9.4饱和吸收稳频 

     
    9.4.1系统组成 

     
    9.4.2工作原理 

     
    9.5其他稳频激光器 

     
    9.5.1CO2激光器的稳频 

     
    9.5.2固体脉冲激光器的稳频 

     
    9.5.3半导体激光器的稳频 

     
    9.5.4光纤激光器的稳频 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第10章频率变换技术 

     
    10.1非线性极化 

     
    10.1.1原子的电极化 

     
    10.1.2非线性极化 

     
    10.1.3非线性介质中的波耦合方程 

     
    10.2激光倍频技术 

     
    10.2.1倍频的波耦合方程 

     
    10.2.2相位匹配的意义 

     
    10.2.3准相位匹配方法 

     
    10.2.4倍频方式 

     
    10.3和频与三倍频技术 

     
    10.3.1和频技术 

     
    10.3.2三倍频技术 

     
    10.4光参量振荡技术 

     
    10.4.1光参量放大 

     
    10.4.2光参量振荡 

     
    10.4.3光参量振荡运转方式 

     
    10.4.4光参量振荡器的频率调谐方法 

     
    10.5受激拉曼散射技术 

     
    10.5.1拉曼散射 

     
    10.5.2受激拉曼散射的调谐作用 

     
    10.5.3拉曼散射激光器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    第11章固体激光器 

     
    11.1固体激光器的基本原理 

     
    11.1.1固体激光器的基本结构 

     
    11.1.2固体激光放大器的结构 

     
    11.1.3固体激光器的能量转换 

     
    11.2固体工作物质 

     
    11.2.1红宝石晶体 

     
    11.2.2掺钕钇铝石榴石晶体 

     
    11.2.3钕玻璃 

     
    11.2.4激光陶瓷 

     
    11.2.5铒玻璃(掺铒磷酸盐玻璃) 

     
    11.2.6掺钬钇铝石榴石 

     
    11.2.7掺钛蓝宝石晶体 

     
    11.3泵浦光源 

     
    11.3.1惰性气体放电灯 

     
    11.3.2激光二极管 

     
    11.3.3太阳光 

     
    11.4典型固体激光器 

     
    11.4.1灯泵固体激光器 

     
    11.4.2侧面泵浦固体激光器 

     
    11.4.3端面泵浦固体激光器 

     
    本章小结 

     
    习题 

     
    附录 

     
    参考文献 

     

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