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第1章 绪论1

1.1 激光诞生的历史1

1.2 激光的本质特征3

1.2.1 相干性波动分析3

1.2.2 相干性光子分析5

1.2.3 光波模式7

1.3 光子简并度8

1.3.1 光波模式数8

1.3.2 光子简并度10

1.3.3 光源亮度10

1.4 激光产生的基本条件11

思考和练习题12

第2章 光和物质的近共振相互作用13

2.1 电磁波吸收和发射的经典解释13

2.1.1 电介质极化13

2.1.2 电偶极振子模型16

2.1.3 吸收对介质的影响17

2.2 电磁波吸收和发射的唯象理论24

2.2.1 自发辐射24

2.2.2 受激吸收26

2.2.3 受激辐射26

2.2.4 实现光放大的问题27

2.3 光谱线加宽28

2.3.1 吸收和发射光谱技术28

2.3.2 谱线加宽和线型函数30

2.3.3 谱线加宽对跃迁速率的影响33

2.4 激光器中常见的谱线加宽36

2.4.1 光谱线加宽的类型36

2.4.2 均匀加宽的典型机制38

2.4.3 非均匀加宽的典型机制43

2.4.4 激光介质中的实际加宽47

2.5 光和物质相互作用的近代理论51

2.5.1 量子理论51

2.5.2 半经典理论51

2.5.3 速率方程理论52

思考和练习题52

第3章 速率方程理论54

3.1 典型激光器的工作能级54

3.1.1 红宝石激光器工作介质54

3.1.2 掺铒光纤激光放大器工作介质56

3.1.3 氩离子激光器工作介质57

3.1.4 N2分子激光器58

3.1.5 He-Ne激光器工作介质59

3.1.6 掺Nd+3激光器工作介质60

3.1.7 掺钛蓝宝石激光器工作介质61

3.1.8 CO2激光器工作介质62

3.1.9 半导体激光器工作介质63

3.2 三能级系统速率方程组65

3.2.1 激光三能级系统65

3.2.2 速率方程组66

3.3 四能级系统速率方程组68

3.3.1 激光四能级系统69

3.3.2 速率方程组69

3.4 小信号光的介质增益71

3.4.1 反转粒子数与小信号增益系数71

3.4.2 四能级系统的小信号增益系数72

3.4.3 三能级系统的小信号增益系数73

3.5 均匀加宽介质的增益饱和74

3.5.1 大信号的反转粒子数75

3.5.2 大信号增益系数77

3.5.3 增益曲线的均匀饱和77

3.5.4 增益介质的色散79

3.6 非均匀加宽介质的增益饱和81

3.6.1 大信号增益系数81

3.6.2 增益曲线的烧孔现象83

3.6.3 气体激光器中的烧孔现象85

3.6.4 综合加宽工作物质的增益系数86

3.7 光放大86

3.7.1 自发辐射放大87

3.7.2 超辐射的强度和方向性88

3.7.3 ASE线宽90

3.7.4 激光放大器92

思考与练习题96

第4章 光学谐振腔理论99

4.1 光学谐振腔的稳定性99

4.1.1 光学谐振腔的结构、分类和作用100

4.1.2 光线传输矩阵和ABCD律103

4.1.3 谐振腔稳定性的光线传输矩阵分析107

4.1.4 不同种类谐振腔的稳定性110

4.2 光学谐振腔的模式112

4.2.1 谐振腔的损耗112

4.2.2 谐振腔的模式简介117

4.2.3 DFB激光器模式简介119

4.3 光学谐振腔的衍射积分理论121

4.3.1 惠更斯-菲涅尔原理和基尔霍夫衍射积分122

4.3.2 谐振腔自在现模积分本征方程123

4.3.3 本征值γ的物理意义124

4.4 平行平面腔Fox-Li数值迭代法125

4.4.1 平行平面镜对称谐振腔积分本征方程126

4.4.2 Fox-Li数值迭代法127

4.4.3 Fox-Li数值迭代法的重要意义130

4.5 球面镜对称共焦腔解析解130

4.5.1 方形球面镜对称共焦腔的模式130

4.5.2 方形球面镜对称共焦腔的行波场136

4.5.3 圆形球面镜对称共焦腔141

4.6 球面镜稳定腔的等价对称共焦腔142

4.6.1 对称共焦腔的等价腔142

4.6.2 球面镜稳定腔的等价对称共焦腔143

4.7 高斯光束变换145

4.7.1 高斯光束的基本特性145

4.7.2 高斯光束的复参数q表示145

4.7.3 复参数q的变换规律146

4.7.4 高斯光束薄透镜的变换规律148

4.7.5 光束远场发散角的检测149

4.7.6 高斯光束的模式匹配150

4.7.7 高斯光束的聚焦151

4.7.8 高斯光束的准直155

思考与练习题157

第5章 连续激光器的工作特性162

5.1 均匀加宽介质激光器速率方程162

5.1.1 激光器单模运转速率方程162

5.1.2 激光器多模运转速率方程163

5.2 激光振荡阈值165

5.2.1 振荡阈值条件165

5.2.2 四能级系统的阈值泵浦功率密度166

5.2.3 三能级系统的阈值泵浦功率密度167

5.3 均匀加宽介质激光器中的纵模振荡和竞争168

5.3.1 纵模数目169

5.3.2 均匀加宽介质激光器中的单模振荡170

5.3.3 振荡频率牵引172

5.3.4 空间烧孔174

5.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡176

5.4.1 多模振荡176

5.4.2 兰姆凹陷177

5.4.3 非均匀加宽介质的模竞争181

5.5 连续激光器输出特性181

5.5.1 单模激光器的线宽极限181

5.5.2 均匀加宽单模稳态运转的输出功率184

5.5.3 输出耦合率的优化188

5.5.4 非均匀加宽单模稳态运转的输出功率190

思考及练习题192

附录A 常用物理常数表194

附录B 激光领域大事记195

参考文献200