激光原理及应用 (2008 年度畅销榜NO.11219 )

本书分为两部分。前5章介绍激光的基本理论，从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，尽量避免过多的理论计算，以掌握激光器的选择和使用为主要目的；后5章介绍激光在计量、加工、医学、信息技术，以及现代科技前沿问题中的应用，重点是介绍各种应用的思路和方法。 \r\n 本书可以作为高等学校有关光学和光学工程，以及大量应用激光技术的理工科各相关专业的教材，也可以供社会读者阅读与自学。

第1章 辐射理论概要与激光产生的条件\r\n 1.1 光的波粒二象性\r\n 1.2 原子的能级和辐射跃迁\r\n 1.3 光的受激辐射\r\n 1.4 光谱线增宽\r\n 1.5 激光形成的条件\r\n 思考练习题1\r\n第2章 激光器的工作原理\r\n 2.1 光学谐振腔结构与稳定性\r\n 2.2 速率方程组与粒子数反转\r\n 2.3 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和\r\n 2.4 非均匀增宽介质的增益饱和\r\n 2.5 激光器的损耗与阈值条件\r\n 思考练习题2\r\n第3章 激光器的输出特性\r\n 3.1 光学谐振腔的衍射理论\r\n 3.2 对称共焦腔内外的光场分布\r\n 3.3 高斯光束的传播特性\r\n 3.4 稳定球面腔的光束传播特性\r\n 3.5 激光器的输出功率\r\n 思考练习题\r\n第4章 激光的基本技术\r\n 4.1 激光器输出的选模\r\n 4.2 激光器的稳频\r\n 4.3 激光束的变换\r\n 4.4 激光调制技术\r\n 4.5 激光偏转技术\r\n 4.6 激光调Q技术\r\n 4.7 激光锁模技术\r\n 思考练习题4\r\n第5章 典型激光器介绍\r\n第6章 激光在精密测量中的应用\r\n第7章 激光加工技术\r\n第8章 激光在医学中的应用\r\n第9章 激光在信息技术中的应用\r\n第10章 激光在科学技术前沿问题中的应用\r\n参考文献

激光是20世纪人类的重大科技发明之一，它对人类的社会生活产生了广泛而深刻的影响。作为高技术的研究成果，它不仅广泛应用于科学技术研究的各个前沿领域，而且已经在人类生产和生活的许多方面得到了大量的应用，与激光相关的产业已在全球形成了超过千亿美元的年产值。由于各行各业都应用激光进行技术改造和新技术的开发研究，除文科外的几乎所有理工农医类的高等院校都开设了激光技术和应用的课程。 激光技术在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术的各个方面与它本身的特点是分不开的。激光是光的受激辐射，因而它与自发辐射的普通光源不同，具有极好的方向性、极高的光亮度和相干性。普通光源向四面八方辐射，光线分散到4球面度的立体角内，而激光可以基本沿某一条直线传播，通常发散角限制在10—6球面度量级的立体角内。尽管激光输出的能量有一定的限度，但它能够在比普通光源小得多的立体角内和很短的时间内将能量输出；所以它的亮度比普通光源要高上百万倍，甚至于几十亿倍。在激光发明以前最好的相干光源K理论上相干长度可以达到7801Tlln，而目前用于长度计量的激光干涉仪的普通稳频氦氖激光器频率稳定度为10—9，相干长度就可以达到几十千米。作为长度基准的氦氖激光器的频率稳定度还可以提高3—4个数量级，其相干性是普通光源完全不能比拟的。激光的优越性使它在很多场合替代普通光源，而最新的研究进展表明，激光器的高效率有望在照明领域作为节能光源取代一般电光源。 激光的发展史应当追溯到1917年，爱因斯坦提出光的受激辐射的概念，预见到受激辐射光放大器诞生，也就是激光产生的可能性。20世纪50年代美国科学家汤斯(Tomes)及前苏联科学家普罗克霍洛夫(Prokhorov)等人分别独立发明了一种低噪声微波放大器，即一种在微波波段的受激辐射放大器(MicrowaveamplificationbystimulatedemissionOfradiation)，并以冥英文的第一个字母缩写命名为Maser。1958年美国科学家汤斯(Townes)和肖洛(Schawlow)提出在一定的条件下，可将这种微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段，制成受激辐射光放大器(LightamplificationbystimulatedemissionOfradiation，缩写为Laser)。1960年7月美国的梅曼(Maiman)宣布制成了第一台红宝石激光器(RubyLaser)。1961年我国科学家邓锡铭、王之江制成我国第一台红宝石激光器，在1961年11期《科学通报》上发表了相关论文，称其为“光学量子放大器”。其后在我国科学家钱学森的建议下，统一翻译为“激光”或“激光器”。 激光的发光原理是光的受激辐射，使处在激发态的原子受到外来光的激励作用而跃迁到低能级，同时发出一个与外来激励光子完全相同的光子，从而实现光的放大。但是在普通热辐射光源的情况下，受激辐射只占很小的比例，绝大部分的辐射是自发辐射，因此在宏观上并不能够产生光受激放大。欲使受激辐射成为主要的发光过程，需要使发光物质处于激发态的高能级上的粒子多于低能级上的粒子，同时还要使这样的介质中受激辐射占绝对优势。20世纪上半叶的科学技术发展提供了这样的可能。电子技术的发展提供了激励能源，精密加工技术制造出谐振腔，材料科学的研究提供了各种激光工作介质，在近代高科技的发展支持下，各种激光器陆续诞生。 在激光发明以来的40多年间，继红宝石激光器为代表的固体激光器之后，气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X射线激光器和光纤激光器相继问世。各种性能的激光器，如稳频激光器、稳功率激光器、保偏激光器、大功率激光器、稳方向激光器及超短脉冲激光器被研制出来，以满足不同的需求。许多领域应用了激光以后发展出各种不同新产品。例如激光干涉仪、激光测距仪、激光医疗设备、激光打孔机、激光打标机、激光热处理设备、激光防伪商标、激光通信系统、光盘存储器，以至于激光制导武器，等等。尤其是以半导体激光器作为光源的光通信系统的普及性发展表现出激光的强大生命力。 伴随着激光的广泛应用，激光技术也得到了很快的发展和推广。激光的稳频、选频，激光光束的变换，激光光学系统设计方法，激光的强度调制和相位调制，调Q技术和锁模技术等都逐渐完善和成熟起来。激光原理和它的各种应用技术已成为各行各业的科学技术人员都必须掌握的一门高新技术。本书就是为理工科(包括农林医学)高等院校学生掌握应用激光技术而开设的激光原理及应用课程而编写的。 本书是在大学普通物理学的基础上编写的。书的前半部分介绍激光原理，从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念，以及激光输出特性与激光器的参数之间的关系，尽量避免过多的理论计算，以掌握激光器的选择和使用为主要目的；后半部分介绍了激光在计量、加工、医学、信息技术，以及现代科技前沿问题中的应用，重点是介绍各种应用的思路和方法。书中每章都配以思考练习题，以期读者通过这些练习能够加深理解学到的理论并掌握应用方法。 作为激光原理及应用课程的必读部分，前5章对学习过高等数学与普通物理学的理工科大学本科学生只需要讲授24学时，后5章可以根据学生的专业不同选择讲授，连同实验可以安排36学时或48学时。 本书是“上海市教育委员会高校重点教材建设项目”的研究成果，是面向21世纪课程教材，由上海理工大学、北京邮电大学、复旦大学、华中科技大学等校教授依据多年的教学和科研经验，并参考国内、外优秀教材编写而成。 为帮助教师使用本教材，编者开发了这本书的电子课件及习题解答，并发布在电子工业出版社的华信教育资源网站上，其网址为http：／／www.hxedu.com.cn，或直接联系010-68152204索取。 本书第1、2、5章由顾铮秃编写，第3、4、10章由陈家璧编写，第6章由彭润玲编写，第7章由陈家壁和刘顺洪编写，第8章由张元芳编写，第9章由余重秀编写。全书由陈家璧统稿。中国工程院院士、清华大学金国藩教授审阅了全书并撰写了序。 特别要说明的是本书的许多论述方法取自清华大学丁俊华教授的教材《激光原理及应用》，本书的编者多年使用该教材更是得益匪浅，在此对丁俊华教授表示深切的敬意。在本书的编写过程中还得到华中科技大学刘建华教授的无私帮助。他的很多建议已反映在书中，在此表示衷心的感谢。此外，在本书的编写过程中，北京邮电大学的于志辉博士、陈卓博士、王星硕士、桑新柱博士，上海复旦大学附属华山医院的方杰博士，上海理工大学董祥美等同学帮助收集资料、撰写初稿、录入、修改、绘图，为本书的编写做了许多具体工作，在此一并表示感谢。