激光原理与技术

《激光原理与技术》深入浅出介绍激光的基本原理和主要技术等内容。第1章介绍激光诞生过程中与量子力学出现有关的基本历史事实，以及这些历史事实中的数学物理内容。第2章介绍谐振腔的稳定性、谐振腔中的模式。第3章介绍高斯光束及其与谐振腔的关系。第4章介绍激光器内光和原子的相互作用，包括光谱加宽、增益机制、激光振荡的过程。第5章介绍光的调制技术，包括电光调制、声光调制、直接调制、磁光调制。第6章介绍Q脉冲激光，包括调Q基本原理、调Q数值模拟、电光调Q、声光调Q、被动调Q。第7章介绍激光锁模，包括锁模的基本原理、主动锁模、被动锁模、对撞脉冲锁模、锁模光纤激光器。第8章介绍非线性光学初步知识，包括非线性极化率、耦合波方程和光学倍频。

目录
第1章 激光基本原理 1
1.1 光量子实验证据 1
1.1.1 黑体辐射 2
1.1.2 光电效应 5
1.1.3 康普顿散射 8
1.2 受激辐射、受激吸收与自发辐射 10
1.2.1 受激跃迁与自发辐射 11
1.2.2 爱因斯坦关系式 12
1.3 激光振荡条件 14
1.3.1 激活介质 14
1.3.2 光放大 15
1.3.3 激光器振荡条件 15
1.4 激光特性 18
1.4.1 相干性概念 18
1.4.2 激光相干性 21
1.4.3 激光高亮度 21
1.4.4 高光子简并度 21
习题 21
参考文献 23
第2章 开放光学谐振腔 24
2.1 开放光学谐振腔构成 24
2.2 开放光学球面谐振腔的稳定性 27
2.2.1 光线变换矩阵 27
2.2.2 光线在谐振腔中往返一周变换矩阵 29
2.2.3 谐振腔的稳定性条件 30
2.2.4 多元件谐振腔的稳定性判别 32
2.3 光学谐振腔的损耗 37
2.3.1 平均单程损耗指数因子 38
2.3.2 腔内光子平均寿命 38
2.3.3 谐振腔的品质因数 39
2.3.4 无源腔本征模式带宽 39
2.4 开放谐振腔模式衍射理论 40
2.4.1 模式自再现(self reconstruction) 40
2.4.2 共焦腔中自再现模近似解 41
2.4.3 圆对称情况下自再现模式 44
2.5 一般球面稳定腔模式 45
2.5.1 球面稳定腔与共焦腔的等价 45
2.5.2 谐振频率 47
2.6 非稳腔 48
2.6.1 虚共焦与实共焦非稳腔 48
2.6.2 非稳腔的几何自再现波形 49
2.6.3 几何放大率和能量损耗 51
习题 52
参考文献 55
第3章 高斯光束 56
3.1 傍轴光束高斯解 56
3.1.1 傍轴近似 56
3.1.2 基模高斯光束 57
3.1.3 高阶高斯光束 59
3.1.4 ABCD定律 62
3.2 高斯光束与球面谐振腔自再现模式 65
3.3 高斯光束的聚焦与准直 69
3.3.1 薄透镜变换 69
3.3.2 高斯光束聚焦 71
3.3.3 高斯光束准直 71
3.4 光束质量评价—M2因子 72
习题 73
参考文献 78
第4章 光与原子相互作用及激光器的工作特性 79
4.1 谱线加宽 80
4.1.1 线形函数 81
4.1.2 均匀加宽 82
4.1.3 非均匀加宽 85
4.1.4 综合加宽 88
4.2 速率方程 89
4.2.1 跃迁速率 89
4.2.2 速率方程组 93
4.3 增益系数 96
4.3.1 均匀加宽增益系数 97
4.3.2 多普勒加宽增益系数 99
4.3.3 综合加宽增益系数 103
4.3.4 再论均匀加宽与非均匀加宽 104
4.4 激光器的工作特性 104
4.4.1 激光器的阈值 104
4.4.2 激光器的振荡模式 106
4.4.3 激光器的输出功率和输出能量 108
4.4.4 驰豫振荡 110
4.4.5 单模激光的线宽极限 112
习题 113
参考文献 117
第5章 激光调制技术 118
5.1 电光调制 118
5.1.1 电光调制的物理基础 118
5.1.2 电光强度调制 125
5.1.3 电光相位调制 127
5.1.4 电光波导调制器 128
5.1.5 电光偏转 132
5.2 声光调制 134
5.2.1 声光调制的物理基础 134
5.2.2 声光互作用的两种类型 135
5.2.3 声光体调制器 141
5.2.4 声光偏转 145
5.3 半导体激光器直接调制 147
5.3.1 半导体激光二极管直接调制 148
5.3.2 半导体发光二极管(LED)的调制特性 149
5.3.3 半导体光源的模拟调制深度 150
5.3.4 半导体光源的数字调制 150
5.4 磁光调制 151
5.4.1 磁光调制的物理基础 151
5.4.2 光隔离器 153
5.4.3 磁光等离子体激元 153
习题 154
参考文献 155
第6章 调Q技术 157
6.1 调Q技术概述 157
6.1.1 脉冲固体激光器的输出特性 157
6.1.2 调Q的基本原理 157
6.1.3 调Q对激光器的基本要求 160
6.2 Q脉冲激光数值模拟 160
6.2.1 调Q的速率方程 160
6.2.2 速率方程的求解 161
6.3 电光调Q 168
6.3.1 带偏振器的电光调Q 169
6.3.2 脉冲透射式(PTM)调Q 171
6.3.3 Q调制技术的其他功能 173
6.4 声光调Q 174
6.4.1 声光调Q的基本原理 174
6.4.2 声光调Q器件的结构及设计 176
6.5 被动可饱和吸收调Q 178
6.5.1 可饱和吸收染料的调Q原理 178
6.5.2 饱和吸收的速率方程 179
6.5.3 染料调Q激光器及其输出特性 180
习题 184
参考文献 185
第7章 超短脉冲-锁模技术 186
7.1 锁模概述 186
7.1.1 多模激光器的输出特性 186
7.1.2 锁模的基本原理 188
7.1.3 锁模的方法 190
7.2 主动锁模 191
7.2.1 振幅调制锁模 191
7.2.2 相位调制锁模 194
7.2.3 主动锁模激光器的结构及设计要点 196
7.3 被动锁模 198
7.3.1 固体激光器的被动锁模 198
7.3.2 染料激光器的被动锁模 201
7.4 同步泵浦锁模 204
7.4.1 同步泵浦锁模原理 204
7.4.2 同步泵浦锁模激光器的结构 205
7.5 锁模光纤激光器 206
7.5.1 主动锁模光纤激光器 206
7.5.2 被动锁模光纤激光器 208
7.5.3 混合锁模光纤激光器 209
7.5.4 锁模光纤激光器的应用 209
习题 210
参考文献 211
第8章 非线性光学 212
8.1 非线性极化 212
8.1.1 介质中的麦克斯韦方程 212
8.1.2 介质极化率 213
8.1.3 极化率的一般性质 216
8.1.4 倍频极化张量 218
8.2 耦合波方程 218
8.2.1 非线性波动方程 218
8.2.2 耦合波方程组 219
8.3 光学倍频 222
8.3.1 倍频耦合波方程及其解 222
8.3.2 高效率下光学倍频耦合波方程解 224
8.3.3 相位匹配条件 225
习题 228
参考文献 228
附录 229
附录1 黑体辐射两个重要定律 229
附录2 量子跃迁 230
附录3 二维矩形谐振腔中的模式密度 237
附录4 振幅指数衰减信号线宽推导 238
附录5 两个球面之间的光学距离 239
附录6 平行平面镜腔的自再现模迭代求解 241
附录7 高阶高斯光束应用 245
附录8 原子与光相互作用经典模型 249
附录9 电磁波量子化 251