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第1章 基础知识1

1.1光的波粒二象性1

1.2光波的模式5

1.3原子能级与发光7

1.3.1量子化的原子能级7

1.3.2原子数目按能级的分布9

1.4原子的自发辐射、受激吸收与受激辐射10

1.4.1原子的自发辐射10

1.4.2原子的受激吸收11

1.4.3原子的受激辐射12

1.4.4A21、B21和B12三系数的关系13

1.5光谱线的增宽14

1.5.1原子跃迁谱线增宽的机理与线型15

1.5.2谱线增宽的类型18

习题与思考题21

第2章 光放大与振荡——激光器原理23

2.1粒子数反转与光放大23

2.2光学谐振腔25

2.3激光器基本结构与激光形成过程30

2.3.1激光器的基本结构30

2.3.2激光的形成过程31

2.3.3三能级系统与四能级系统33

2.4激光的特性34

2.4.1定向性34

2.4.2单色性35

2.4.3亮度特性36

2.4.4时间相干性36

2.4.5空间相干性39

2.4.6光子简并度42

2.5激光器速率方程43

2.5.1三能级系统的速率方程（单模）44

2.5.2四能级系统的速率方程（单模）45

2.6介质的增益系数47

2.6.1小信号增益系数48

2.6.2大信号增益系数49

2.7激光振荡阈值条件51

2.8连续运转激光器的输出功率54

2.8.1均匀增宽激光器的输出功率55

2.8.2非均匀增宽激光器的输出功率56

2.8.3兰姆凹陷57

2.9脉冲激光器的输出特性58

2.9.1短脉冲激励下的输出能量58

2.9.2长脉冲激励下的输出功率59

2.10自由振荡激光器的模式60

2.10.1均匀增宽激光器的模竞争和单模振荡60

2.10.2空间烧孔和多模振荡61

2.10.3非均匀增宽激光器的多模振荡62

2.11激光器的频率牵引62

2.11.1色散63

2.11.2频率牵引64

2.12激光的线宽极限65

习题与思考题68

第3章 光学谐振腔69

3.1光学谐振腔的构成和分类69

3.1.1开腔69

3.1.2闭腔71

3.1.3气体波导腔71

3.2光学谐振腔的损耗72

3.2.1损耗的类型72

3.2.2损耗的描述73

3.2.3损耗计算举例75

3.3谐振腔中模式的分析方法78

3.3.1直接求解麦克斯韦方程79

3.3.2求解衍射场的自洽积分方程80

3.3.3开放式波导理论的方法81

3.3.4几何光学分析法81

3.4平行平面腔中的模81

3.4.1场的自洽积分方程的数值解81

3.4.2波导理论给出的结果82

3.5稳定共轴球面腔中的模84

3.5.1高斯光束85

3.5.2稳定球面腔中的高斯光束90

3.6平方媒质中的高斯光束94

3.7非稳腔的模96

3.7.1非稳腔的特点96

3.7.2非稳腔的波形特征96

3.7.3非稳腔的放大倍率及损耗99

3.8波导激光谐振腔的模101

3.8.1波导腔的构成和特点101

3.8.2空心波导管中的模101

3.8.3波导腔的损耗103

3.9高斯光束的传输与透镜变换106

3.9.1高斯光束在空间的传输规律106

3.9.2高斯光束通过薄透镜的变换108

3.10光线传播矩阵与ABCD定律110

3.10.1光线传播矩阵110

3.10.2ABCD定律115

3.10.3高斯光束的ABCD定律116

3.10.4光线矩阵性质118

3.11高斯光束的自再现变换与稳定球面腔118

3.12高斯光束的聚焦与准直119

3.12.1高斯光束的聚焦119

3.12.2高斯光束的准直121

3.13高斯模的匹配123

习题与思考题125

第4章 典型激光器128

4.1固体激光器128

4.1.1红宝石激光器129

4.1.2钕激光器129

4.1.3其他固体激光器131

4.2气体激光器133

4.2.1He-Ne激光器134

4.2.2氩离子激光器134

4.2.3CO2激光器136

4.2.4准分子激光器143

4.3染料激光器145

4.4半导体激光器147

4.4.1有关半导体的基本概念148

4.4.2半导体激光器的工作原理153

4.4.3典型半导体激光器156

4.4.4半导体激光器的主要特性160

4.5光纤激光器165

4.5.1稀土掺杂光纤激光器167

4.5.2非线性效应光纤激光器169

4.6其他激光器170

4.6.1自由电子激光器170

4.6.2X射线激光器172

习题与思考题172

第5章 激光基本技术175

5.1激光选模技术175

5.1.1横模选择技术175

5.1.2纵模选择技术178

5.2激光稳频技术183

5.2.1激光器频率的稳定度和再现度184

5.2.2影响频率稳定的因素184

5.2.3稳频方法185

5.3激光Q开关技术188

5.3.1普通脉冲固体激光器的输出特性188

5.3.2调Q技术的基本原理190

5.3.3调Q方法191

5.3.4调Q激光器的基本理论196

5.4激光锁模技术199

5.4.1自由运转多纵模激光器的输出特性199

5.4.2锁模的基本原理200

5.4.3锁模激光器的输出特性201

5.4.4锁模方法204

5.5激光放大技术209

5.5.1激光放大器的基本原理209

5.5.2激光放大器的基本理论210

5.6激光调制技术217

5.6.1光调制的基本概念217

5.6.2调制方法221

5.7激光偏转技术224

5.7.1电光偏转224

5.7.2声光偏转225

习题与思考题226

第6章 激光半经典理论与量子理论229

6.1激光电磁场方程229

6.2密度矩阵233

6.2.1量子统计系综和力学量的平均值233

6.2.2密度矩阵定义234

6.2.3密度矩阵的性质及物理意义234

6.2.4密度矩阵的运动方程236

6.3二能级原子系综的密度矩阵237

6.3.1静止原子情形238

6.3.2运动原子情形239

6.4宏观电极化强度与密度矩阵的关系240

6.5静止原子激光器的单模运转240

6.6二模振荡与模式竞争242

6.7运动原子激光器的单模运转248

6.8经典辐射场的量子化251

6.8.1开式平面光腔中的场与谐振子251

6.8.2电磁场的能量量子化253

6.8.3量子化场的本征态255

6.9相位算符256

6.10相干态258

6.10.1相干态的定义与表示258

6.10.2相干态的性质260

6.11辐射场与原子的相互作用263

6.12原子辐射和吸收的跃迁几率266

6.12.1受激吸收几率267

6.12.2受激辐射几率268

6.12.3共振情况下吸收与辐射几率268

6.13光子统计269

6.13.1约化密度算符269

6.13.2场的运动方程270

6.13.3激光光子统计272

习题与思考题276

第7章 非线性光学效应278

7.1概述278

7.2光在非线性介质中传播的基本方程280

7.2.1非线性波动方程280

7.2.2耦合波方程280

7.2.3曼利-罗（Manley-Rowe）关系282

7.3二阶非线性光学效应282

7.3.1和频的产生282

7.3.2差频的产生286

7.3.3倍频的产生288

7.3.4相位匹配技术290

7.3.5光学参量放大与参量振荡293

7.4三阶非线性光学效应297

7.4.1自聚焦现象298

7.4.2四波混频301

7.4.3受激拉曼散射（SRS）304

7.4.4受激布里渊散射（SBS）310

习题与思考题313

第8章 光纤技术314

8.1光纤结构与分类314

8.2光纤传光原理316

8.2.1几何光学分析方法316

8.2.2平面波方法318

8.3光纤的损耗和色散325

8.3.1光纤的传输损耗325

8.3.2光纤的色散328

8.3.3光纤孤子331

8.4光纤的连接与光耦合333

8.4.1光纤的连接及损耗333

8.4.2光纤的光耦合335

8.4.3光纤分路器与合路器337

8.4.4波分复用器339

8.5光纤的应用340

8.5.1光纤通信341

8.5.2光纤传感器343

8.5.3光纤图像传输352

8.5.4光纤用于能量传输356

8.5.5光纤激光器和放大器358

习题与思考题359

第9章 光存储技术361

9.1关于信息的基本概念361

9.2光存储的一般特点363

9.3光盘存储364

9.4可擦重写光盘369

9.5光全息存储376

9.5.1全息图的记录与再现376

9.5.2全息图的分类379

9.5.3夫琅禾费全息图与菲涅耳全息图380

9.5.4全息存储及特点384

9.6其他光存储技术简介387

9.6.1近场光学存储技术387

9.6.2双光子光学存储388

9.6.3光谱烧孔存储技术390

习题与思考题392

第10章 光电子技术的其他应用394

10.1激光干涉计量394

10.1.1激光测长394

10.1.2激光测速399

10.2激光测距与激光雷达401

10.2.1激光测距401

10.2.2激光雷达403

10.3激光工业加工406

10.3.1激光热加工的一般原理407

10.3.2几种激光热加工方法407

10.3.3激光光化学反应加工——激光光刻409

10.4激光制导410

10.4.1激光驾束制导的原理410

10.4.2激光驾束制导的主要组成和功能411

10.5激光通信412

10.5.1大气传输通信413

10.5.2卫星激光通信413

10.5.3光纤通信415

10.5.4水下通信416

10.6激光引发核聚变417

10.7激光武器418

习题与思考题419

第11章 光信号的探测420

11.1光探测器的物理基础420

11.1.1光信号探测器的物理效应420

11.1.2光电转换定律423

11.2光探测器的特性参数和噪声423

11.2.1特性参数423

11.2.2噪声426

11.3常用光探测器428

11.3.1真空光电二极管428

11.3.2光电倍增管428

11.3.3光电导探测器430

11.3.4光电二极管431

11.3.5热释电探测器433

11.4直接探测434

11.5光外差探测436

11.5.1光外差探测的基本原理436

11.5.2光外差探测的信噪比438

习题与思考题438

附录A常用物理常量表439

附录B国际单位制词头440

习题参考答案441

参考文献446