本書是“十二五”普通高等教育本科國家級規劃教材、“十三五”江蘇省高等學校重點教材和江蘇省本科優秀培育教材。主要內容包括：激光發展簡史及激光的特性，激光產生的基本原理，光學諧振腔與激光模式，高斯光束，激光工作物質的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制與改善，典型激光器，半導體激光器，光通信系統中的激光器和放大器，激光全息技術，激光與物質的相互作用，以及激光在其他領域的應用。
陳鶴鳴 二級教授，博士生導師。中國工程教育專業認證協會電子信息與電氣工程類專業認證委員會委員、核心專家。中國通信學會光通信專業委員會委員、中國光學學會全息與光信息處理專業委員會委員、中國光學學會教育委員會常務委員，江蘇省光學學會常務理事。中國通信學會高級會員、中國電子學會高級會員。曾任教育部高等學校電子信息類專業教學指導委員會委員，南京郵電大學貝爾英才學院院長、光電工程學院院長兼光通信研究所所長、教務處處長、高教所所長，江蘇省光通信工程技術研究中心主任。長期從事光通信與光電子技術的教學與科研工作，先后在Optics Express、Optics Letters、Applied Optics、 Electronics Letters、《物理學報》《光學學報》《通信學報》《中國激光》等重要學術刊物上發表論文100余篇，其中被SCI和EI等檢索50余篇，出版教材4部、譯著1部，獲發明專利授權十余項。先后主持或參加國家級、自然科學基金、省部級科研項目和教改項目20余項。曾獲“江蘇省普通高校優秀青年骨干教師”稱號、“郵電部高等院校優秀青年骨干教師”稱號、首屆“江蘇省高等學校教學名師”稱號。作為專業負責人的“電子科學與技術專業”被評為國家特色專業建設點、江蘇省品牌專業，并于2013年通過了國家工程教育專業認證；作為團隊帶頭人的“光電子系列課程教學團隊”獲2010年省級優秀教學團隊；作為統稿人完成了“電子信息類專業教學質量國家標準”。
目 錄
第1章 概述 1
1.1 激光發展簡史 1
1.2 激光的特性 3
1.2.1 方向性 3
1.2.2 單色性 4
1.2.3 相干性 5
1.2.4 高亮度 6
1.3 激光應用簡介 7
習題與思考題一 11
第2章 激光產生的基本原理 12
2.1 原子發光的機理 12
2.1.1 原子的結構 12
2.1.2 原子的能級 13
2.1.3 原子發光的機理 13
2.2 自發輻射、受激輻射和受激吸收 13
2.2.1 自發輻射 14
2.2.2 受激輻射 15
2.2.3 受激吸收 15
2.2.4 三個愛因斯坦系數之間的關系 16
2.3 激光產生的條件 17
2.3.1 受激輻射光放大 17
2.3.2 集居數反轉 18
2.3.3 激活粒子的能級系統 18
2.3.4 光的自激振蕩 20
2.4 激光器的基本組成與分類 22
2.4.1 激光器的基本組成 22
2.4.2 激光介質 22
2.4.3 泵浦源 22
2.4.4 光學諧振腔 23
2.4.5 激光器的分類 24
習題與思考題二 26
第3章 光學諧振腔與激光模式 27
3.1 光學諧振腔的構成和分類 27
3.1.1 構成和分類 28
3.1.2 典型開放式光學諧振腔 29
3.2 激光模式 30
3.2.1 駐波與諧振頻率 30
3.2.2 縱模 31
3.2.3 橫模 33
3.3 光學諧振腔的損耗 34
3.3.1 光腔的損耗 34
3.3.2 光子在腔內的平均壽命 37
3.3.3 無源腔的品質因數—Q值 38
3.4 光學諧振腔的穩定性條件 38
3.4.1 腔內光線往返傳播的矩陣表示 39
3.4.2 共軸球面腔的穩定性條件 43
3.4.3 臨界腔 45
3.5 光學諧振腔的衍射理論基礎 46
3.5.1 自再現模 46
3.5.2 菲涅耳—基爾霍夫衍射積分 48
3.5.3 自再現模積分方程 49
3.5.4 自再現模積分方程解的物理
意義 50
3.6 平行平面腔的自再現模 51
3.6.1 平行平面鏡腔的自再現模積分
方程 52
3.6.2 平行平面腔模的數值迭代解法 52
3.6.3 單程衍射損耗、單程相移與諧振
頻率 54
3.7 對稱共焦腔的自再現模 55
3.7.1 方形鏡對稱共焦腔 56
3.7.2 圓形鏡對稱共焦腔 65
3.8 一般穩定球面腔的模式理論 67
3.8.1 一般穩定球面腔與共焦腔的
等價性 68
3.8.2 一般穩定球面腔的模式特征 69
3.9 非穩定諧振腔 71
3.9.1 非穩腔的基本結構 71
3.9.2 非穩腔的幾何自再現波型 73
3.9.3 非穩腔的幾何放大率 74
3.9.4 非穩腔的能量損耗 75
3.9.5 非穩腔的輸出耦合方式 76
3.9.6 非穩腔的主要特點 77
習題與思考題三 78
第4章 高斯光束 80
4.1 高斯光束的基本性質 80
4.1.1 高斯光束 80
4.1.2 高斯光束的基本性質 82
4.1.3 高斯光束的特征參數 83
4.2 高斯光束的傳輸與變換規律 85
4.2.1 高斯光束的傳輸與變換規律 86
4.2.2 實例分析 88
4.3 高斯光束的聚焦和準直 89
4.3.1 高斯光束的聚焦 89
4.3.2 高斯光束的準直 91
4.4 高斯光束的自再現變換 93
4.4.1 利用薄透鏡實現自再現變換 94
4.4.2 球面反射鏡對高斯光束的
自再現變換 94
4.5 高斯光束的匹配 95
4.6 激光束質量因子 97
習題與思考題四 98
第5章 激光工作物質的增益特性 101
5.1 譜線加寬與線型函數 101
5.1.1 譜線加寬概述 101
5.1.2 光譜線加寬的機理 102
5.1.3 均勻加寬、非均勻加寬和綜合
加寬 109
5.2 速率方程 111
5.2.1 對自發輻射、受激輻射、受激
吸收概率的修正 111
5.2.2 單模振蕩速率方程 114
5.2.3 多模振蕩速率方程 116
5.3 均勻加寬激光工作物質對光的增益 117
5.3.1 增益系數 117
5.3.2 反轉集居數飽和 119
5.3.3 增益飽和 121
5.4 非均勻加寬激光工作物質對光的增益 123
5.4.1 增益飽和 123
5.4.2 燒孔效應 125
習題與思考題五 127
第6章 激光器的工作特性 131
6.1 連續與脈沖工作方式 131
6.1.1 短脈沖運轉 132
6.1.2 長脈沖和連續運轉 132
6.2 激光器的振蕩閾值 133
6.2.1 閾值增益系數 133
6.2.2 閾值反轉集居數密度 134
6.2.3 閾值泵浦功率和能量 134
6.3 激光器的振蕩模式 137
6.3.1 起振縱模數 137
6.3.2 均勻加寬激光器的輸出模式 138
6.3.3 非均勻加寬激光器的輸出
模式 140
6.4 連續激光器的輸出功率 141
6.4.1 均勻加寬單模激光器的輸出
功率 141
6.4.2 非均勻加寬單模激光器的輸出
功率 142
6.4.3 多模激光器 144
6.5 脈沖激光器的工作特性 144
6.5.1 短脈沖激光器的輸出能量 144
6.5.2 弛豫振蕩 145
習題與思考題六 146
第7章 激光特性的控制與改善 149
7.1 模式選擇 149
7.1.1 橫模選擇 149
7.1.2 縱模選擇 152
7.2 穩頻技術 154
7.2.1 頻率的穩定性 155
7.2.2 穩頻方法 156
7.3 調Q技術 160
7.3.1 調Q激光器工作原理 161
7.3.2 Q調制方法 162
7.3.3 調Q激光器基本理論 166
7.4 超短脈沖技術 170
7.4.1 鎖模原理 170
7.4.2 鎖模方法 173
7.4.3 均勻加寬激光器主動鎖模自洽
理論 178
7.4.4 阿秒激光的產生與測量 180
7.5 激光調制技術 182
7.5.1 激光調制的基本概念 182
7.5.2 電光調制、聲光調制和磁光
調制 185
7.5.3 直接調制 188
7.6 激光偏轉技術 189
7.6.1 機械偏轉 189
7.6.2 電光偏轉 190
7.6.3 聲光偏轉 191
7.7 光電器件設計及參數選用原則 191
7.7.1 電光調制器的設計 191
7.7.2 電光調Q激光器的設計 192
7.7.3 聲光調制器的設計 193
習題與思考題七 194
第8章 典型激光器 197
8.1 固體激光器 197
8.1.1 固體激光器的基本結構和泵浦
方式 197
8.1.2 紅寶石固體激光器 199
8.1.3 釹激光器 200
8.1.4 摻鈦藍寶石激光器 202
8.2 氣體激光器 203
8.2.1 氣體激光器的泵浦方式 203
8.2.2 氦氖激光器 203
8.2.3 二氧化碳激光器 205
8.2.4 氬離子激光器 207
8.3 染料激光器 208
8.3.1 染料激光器的泵浦方式與基本
結構 209
8.3.2 染料激光器的工作原理 210
8.4 新型激光器 211
8.4.1 準分子激光器 211
8.4.2 自由電子激光器 212
8.4.3 化學激光器 214
8.4.4 聲子激光器 215
8.4.5 納米激光器 217
8.4.6 生物激光器 221
習題與思考題八 225
第9章 半導體激光器 226
9.1 半導體激光器物理基礎 227
9.1.1 半導體的能帶結構和電子狀態 227
9.1.2 半導體中載流子的分布與復合
發光 229
9.1.3 PN結 232
9.1.4 半導體激光材料 233
9.2 半導體激光器的工作原理 234
9.2.1 半導體激光器受激發光條件 234
9.2.2 半導體激光器有源介質的增益
系數 236
9.2.3 閾值條件 236
9.2.4 半導體激光器的速率方程及其
穩態解 237
9.3 半導體激光器有源區對載流子和光子的
限制 239
9.3.1 異質結半導體激光器 239
9.3.2 量子阱激光器 242
9.3.3 光約束因子 243
9.4 半導體激光器的諧振腔結構 244
9.4.1 FP腔半導體激光器 245
9.4.2 分布反饋式半導體激光器與
布拉格反射式半導體激光器 245
9.4.3 垂直腔表面發射半導體
激光器 249
9.5 半導體激光器的特性 251
9.5.1 閾值特性 251
9.5.2 半導體激光器的效率與輸出
功率 252
9.5.3 半導體激光器的輸出模式 253
9.5.4 動態特性 256
習題與思考題九 258
第10章 光通信系統中的激光器和放大器 260
10.1 半導體激光器在光纖通信中的應用 260
10.1.1 作為光纖通信光源的半導體
激光器 260
10.1.2 半導體激光器在光纖通信中的
應用與發展 262
10.2 光放大器 263
10.2.1 半導體光放大器 263
10.2.2 光纖放大器 265
10.2.3 半導體光放大器和光纖放大器
的比較 268
10.3 光纖激光器 269
10.3.1 摻雜光纖激光器 270
10.3.2 其他類型的光纖激光器 273
10.4 光子晶體激光器 274
10.4.1 光子晶體 274
10.4.2 光子晶體激光器 276
10.4.3 光子晶體激光器的應用前景 278
10.5 用于無線激光通信的激光器 279
10.5.1 無線激光通信 279
10.5.2 用于無線激光通信的激光器 280
10.6 光通信系統設計與實例 281
10.6.1 光纖通信系統的設計 281
10.6.2 空間光通信系統設計實例 286
習題與思考題十 287
第11章 激光全息技術 288
11.1 激光全息技術的原理和分類 288
11.1.1 激光全息的原理 288
11.1.2 全息照相的特點 290
11.1.3 激光全息技術的分類 291
11.2 白光再現的全息技術 292
11.2.1 白光反射全息 292
11.2.2 像面全息 292
11.2.3 彩虹全息 293
11.2.4 真彩色全息 295
11.3 幾種特殊的全息技術 295
11.3.1 計算全息 295
11.3.2 數字全息 296
11.3.3 合成全息 297
11.3.4 激光超聲全息 299
11.3.5 瞬態全息 300
11.4 激光全息技術的應用 300
11.4.1 全息顯示和全息電影 300
11.4.2 全息干涉計量 301
11.4.3 全息顯微技術 303
11.4.4 全息光學元件 303
11.4.5 全息技術的其他應用 306
習題與思考題十一 306
第12章 激光與物質的相互作用 307
12.1 激光在物質中的傳播 307
12.1.1 激光在物質中的傳播和吸收 307
12.1.2 激光的散射 308
12.2 激光在晶體中的非線性光學現象 309
12.2.1 倍頻光的產生 310
12.2.2 相位匹配 310
12.3 激光對物質的加熱與蒸發 311
12.3.1 激光熱蒸發 311
12.3.2 光化學效應激光蒸發 312
12.4 激光誘導化學過程 312
12.4.1 激光切斷分子 313
12.4.2 激光引起的多光子吸收 314
12.4.3 液體、固體的光化學反應 314
習題與思考題十二 314
第13章 激光在其他領域的應用 315
13.1 激光在信息領域的應用 315
13.1.1 激光存儲 315
13.1.2 激光計算機 321
13.1.3 激光掃描 324
13.1.4 激光打印機 325
13.2 激光在工業領域的應用 325
13.2.1 激光在精密計量中的應用 325
13.2.2 激光在材料加工中的應用 332
13.3 激光在生物醫學領域的應用 336
13.3.1 激光與生物體的相互作用 336
13.3.2 激光在生物體檢測及診斷中的
應用 338
13.3.3 激光醫療 340
13.3.4 醫用激光光源 344
13.4 激光在國防科技領域的應用 345
13.4.1 激光測距 345
13.4.2 激光雷達 347
13.4.3 激光制導 347
13.4.4 激光陀螺 348
13.4.5 激光武器 349
13.5 激光在科學技術前沿中的應用 351
13.5.1 激光光譜學 351
13.5.2 激光核聚變 354
13.5.3 超短脈沖激光技術 357
13.5.4 激光冷卻與原子捕陷 358
13.5.5 利用激光操縱微粒 361
習題與思考題十三 361
附錄A 典型氣體激光器基本實驗數據 363
附錄B 典型固體激光介質參數 364
參考文獻 365
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