激光原理(普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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袁晓东刘肯 编

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店铺： 土星图书专营店

出版社： 科学

ISBN：9787030472892

商品编码：29734816397

开本：16

出版时间：2016-03-01

基本信息

• 商品名称：激光原理(普通高等教育电子科学与技术类特色专业系列规划教材)
• 作者：编者:袁晓东//刘肯
• 定价：59
• 出版社：科学
• ISBN号：9787030472892

其他参考信息（以实物为准）

• 出版时间：2016-03-01
• 印刷时间：2018-05-01
• 版次：1
• 印次：3
• 开本：16开
• 包装：平装
• 页数：248
• 字数：415千字

内容提要

袁晓东、刘肯编著的《激光原理（普通高等教育 电子科学与技术类特色专业系列规划教材）》首先阐 述激光与普通光的本质区别，使读者对于激光有一个 总体认识；接下来讨论激光谐振腔、高斯光束和高斯 光束的变换，读者可以了解激光谐振腔和激光光束的 性质，掌握激光光束的变换规律和操控方法；通过激 光器经典理论和半经典理论的学习，读者能够了解激 光放大和振荡的基本规律；激光器模式控制和脉冲激 光器部分则主要讲述如何对激光器进行操控来实现激 光的高频率分辨或者高时间分辨；*后对于常见的典 型激光器作了简单介绍，使读者对于不同类型激光器 的特点有一个较全面的了解。
     本书可作为高等工科院校本科生激光原理课程教 材，也可供相关专业方向的高等院校师生及工程技术 人员参考。
    

目录

前言
第1章 光波的相干性描述
1.1 激光的概念
1.2 光波的模式密度
1.3 光波的纵向相干性
1.4 横向相干性
1.5 集光率与辐射度
习题
第2章 光学谐振腔的一般性质
2.1 平行平面镜腔的光强透射率
2.2 谐振频率
2.3 模式频率宽度
2.4 光子寿命与品质因子
习题
第3章 高斯光束与激光谐振腔
3.1 对称共焦腔中的自再现模
3.2 高斯光束
3.3 薄透镜对高斯光束的变换
3.4 一般球面镜光学谐振腔中的高斯光束
3.5 高阶模
3.6 谐振腔的谐振频率
习题
第4章 高斯光束传输变换
4.1 高斯光束的聚焦
4.2 高斯光束的准直
4.3 光线光学的矩阵方法和高斯光束的传输变换
习题
第5章 受激辐射和光增益
5.1 受激辐射
5.2 自发辐射的经典谐振子模型
5.3 激光增益
5.4 增益截面
5.5 非辐射跃迁和量子效率
习题
第6章 激光放大器
6.1 三能级系统与四能级系统的粒子数变化的速率方程
6.2 增益饱和
6.3 放大器增益
6.4 光纤放大器
习题
第7章 连续波激光器
7.1 激光产生的条件
7.2 激光器稳态运转
习题
第8章 激光器的半经典理论
8.1 密度矩阵
8.2 集居数矩阵
8.3 电磁场方程
8.4 激光器的单模运转和速率方程解
8.5 激光器的多模运转
8.6 两模运转和模竞争问题
8.7 三模运转和锁模
习题
第9章 气体激光器
9.1 运动原子的多普勒效应
9.2 气体原子激光器振荡的定性讨论
9.3 气体原子辐射的频率分布
9.4 非均匀加宽增益介质的增益系数
9.5 气体介质激光器的输出光强
习题
**0章 激光器模式控制
10.1 均匀加宽增益介质激光器
10.2 非均匀加宽增益介质激光器
10.3 激光器的稳频
习题
**1章 脉冲激光器
11.1 Q开关激光器理论
11.2 Q开关激光器产生激光脉冲的过程
11.3 激光器Q开关实现方法
11.4 激光器锁模原理
11.5 激光器锁模的方法
习题
**2章 典型激光器简介
12.1 原子激光器
12.2 分子激光器
12.3 离子激光器和准分子激光器
12.4 固体激光器
12.5 光纤激光器
习题
**3章 半导体激光器
13.1 半导体材料的性质
13.2 半导体激光器的谐振腔
13.3 半导体激光器的工作原理
13.4 半导体激光器的速率方程
习题
附录A 薄透镜对光束的变换性质
附录B 方形球面镜谐振腔的谐振频率
附录C **1章式（1145）的推导
附录D 布拉格声光光栅的衍射效率与光纤光栅的反射率
附录E 符号索引
附录F 习题参考答案与解答
参考文献

光之魅影：探寻激光世界的奥秘 从古老的火种到现代的光束，人类对光的研究从未停止。而激光，作为一种革命性的光源，以其独特的单色性、方向性和相干性，深刻地改变了我们的科技、工业、医疗乃至日常生活。本书将带领读者踏上一场探索激光原理的奇妙旅程，深入揭示其背后蕴藏的深刻物理规律和工程应用。 第一章：光的波粒二象性与量子力学基础 要理解激光，首先必须回溯到光的本质。本章将从经典光学出发，介绍光的波动理论，阐述干涉、衍射等现象，展现光作为一种波所展现出的优雅特性。随后，我们将转向量子力学的视角，引入光子概念，解释光电效应、康普顿散射等现象，揭示光同时也具有粒子性。这种波粒二象性是理解激光工作机制的基石，我们将逐步构建起量子力学的基本框架，包括能级、跃迁、量子化等核心概念，为后续激光原理的学习打下坚实的基础。我们将详细介绍普朗克提出的能量量子假说，爱因斯坦对光电效应的解释，以及玻尔原子模型对电子能级量子化的阐述。这些基础性的概念将帮助读者理解原子在特定能量状态下的行为，而这正是激光产生过程的关键。 第二章：原子光谱与受激发射 物质与光相互作用的规律是理解激光产生过程的另一重要环节。本章将深入探讨原子光谱，解释不同元素发光和吸光的特点，并介绍原子能级跃迁的微观机制。我们将重点阐述受激发射的概念，这是激光产生的核心物理过程。当一个处于激发态的原子受到一个与能级差相匹配的光子轰击时，它会以光子诱导的方式跃迁回低能级，并释放出一个与入射光子完全相同的光子，包括频率、相位和方向。我们将详细分析受激发射的概率，并将其与自发辐射和受激吸收进行对比，强调受激发射在激光产生中的主导作用。通过对原子光谱学的深入理解，读者将能认识到不同物质对光的吸收和发射特性，从而为选择合适的激光介质做好铺垫。 第三章：激光器的组成与工作原理 本章将正式引入激光器的概念，详细介绍激光器的基本组成部分，包括： 增益介质 (Gain Medium)：这是激光器中能够实现粒子数反转并产生受激发射的核心物质，可以是固体、液体、气体或半导体材料。我们将分析不同增益介质的特性，以及它们在激光器设计中的选择考量。 激励源 (Pumping Source)：为增益介质提供能量，使其达到粒子数反转状态的能量来源，例如光学泵浦、电激励、化学反应等。我们将探讨各种激励方式的工作原理和优缺点。 谐振腔 (Resonant Cavity)：由两个或多个反射镜组成，用于对光波进行多次反射和放大，形成激光振荡。我们将深入分析谐振腔的结构、模式以及其对激光输出特性的影响。 在此基础上，我们将整合以上要素，清晰地阐述激光器的整体工作原理。我们将详细描述粒子数反转是如何实现的，能量是如何通过泵浦注入的，以及受激发射的光子如何在谐振腔内不断放大，最终形成高强度、高方向性的激光束。我们将分析激光器的阈值现象，即激光输出必须达到一定的泵浦能量才能开始，并解释阈值以下和阈值以上的工作状态。 第四章：粒子数反转与激光阈值 粒子数反转是激光产生的关键前提条件。本章将专注于这一核心概念，深入探讨其物理机制和实现方法。我们将解释，在正常情况下，原子处于低能级的人数远多于处于高能级的人数，而要产生激光，则需要打破这种平衡，使处于激发态的原子数量超过处于基态的原子数量，即实现粒子数反转。 我们将详细分析实现粒子数反转的各种泵浦技术，包括： 光学泵浦：利用外部光源（如闪光灯、另一束激光）激发增益介质。 电激励泵浦：通过电场或电晕放电使气体分子或等离子体获得能量。 化学泵浦：利用化学反应释放的能量来激发原子或分子。 注入锁定：利用外部激光信号来触发和同步内部激光的产生。 同时，我们将详细阐述激光阈值这一重要概念。激光器只有在泵浦能量达到一定临界值时才能开始振荡并输出激光，这个临界值就是激光阈值。我们将分析影响激光阈值的各种因素，包括增益介质的损耗、谐振腔的反射率、腔长等，并给出计算激光阈值的方法。理解粒子数反转和激光阈值，是掌握激光器工作实质的关键。 第五章：激光器的类型与特点 激光器种类繁多，其设计和应用各有侧重。本章将对几种主要的激光器类型进行详细介绍，分析它们的特点、工作介质和典型应用： 气体激光器：如氦氖激光器 (He-Ne laser)、二氧化碳激光器 (CO2 laser)、氩离子激光器 (Ar+ laser) 等。我们将探讨它们的激发方式、输出波长以及在工业切割、医疗美容、科学研究等领域的应用。 固体激光器：如红宝石激光器 (Ruby laser)、钕玻璃激光器 (Nd:glass laser)、Nd:YAG 激光器 (Nd:YAG laser) 等。我们将介绍它们的增益介质、工作模式以及在激光焊接、激光雷达、光谱分析等领域的广泛应用。 半导体激光器 (Semiconductor Lasers)：包括结型半导体激光器、量子阱激光器等。我们将重点阐述其工作原理、小尺寸、高效率等特点，以及在光通信、激光打印、DVD 播放器等方面的支配性地位。 染料激光器 (Dye Lasers)：以有机染料为增益介质，具有可调谐性强的特点。我们将介绍其结构、调谐机制以及在光谱学、医学诊断等领域的重要作用。 自由电子激光器 (Free Electron Lasers, FELs)：利用高能电子束与周期性磁场相互作用产生激光，具有极宽的波长可调范围。我们将对其基本原理和前沿研究进行介绍。 通过对不同类型激光器的比较分析，读者将能更全面地认识激光技术的广度和深度，并能根据实际需求选择合适的激光器。 第六章：激光的光束质量与参量 激光束并非简单的光束，其质量和参量直接决定了其应用效果。本章将深入探讨激光的光束质量，引入以下重要概念： 模式 (Mode)：谐振腔内可以支持的多种电磁场分布，包括基模 (TEM00) 和高次模。我们将详细解释不同模式的特性，以及基模激光束的优越性。 高斯光束 (Gaussian Beam)：在近远场都具有高斯分布的光束，是理想的激光束模型。我们将介绍高斯光束的数学描述，包括束腰半径、发散角、瑞利长度等关键参量。 光束质量参数 M² (M-squared parameter)：衡量实际激光束与理想高斯光束偏离程度的参数。M² 值越接近1，激光束质量越高。我们将解释 M² 值的计算方法及其重要性。 相干性 (Coherence)：包括时间相干性和空间相干性，是激光区别于传统光源的关键特性。我们将深入解释这两种相干性的概念，以及它们在干涉、全息等应用中的作用。 单色性 (Monochromaticity)：激光光谱线宽度极窄，输出光波长单一。我们将分析其物理根源，以及在光谱测量、精密加工等领域的优势。 方向性 (Directionality)：激光束发散角极小，方向性极好。我们将解释其与谐振腔设计和衍射效应的关系。 通过对这些光束参量的理解，读者将能定量评估激光器的性能，并为激光的应用设计提供科学依据。 第七章：激光与物质的相互作用 激光与物质的相互作用是激光得以广泛应用的基础。本章将详细探讨激光与物质相互作用的各种机制，包括： 吸收 (Absorption)：物质吸收激光能量，导致其内部状态发生变化。我们将分析不同物质对不同波长激光的吸收特性，以及吸收引起的温度升高、化学键断裂等效应。 散射 (Scattering)：激光与物质中的粒子发生碰撞，改变其传播方向。我们将介绍瑞利散射、米氏散射等现象，以及它们在激光雷达、遥感等领域的应用。 透射 (Transmission)：激光穿过物质而不被吸收或散射。我们将分析物质的透过率与其厚度、成分、波长等的关系。 非线性光学效应 (Nonlinear Optical Effects)：当激光强度非常高时，物质的介电常数会发生变化，导致一系列非线性现象，如倍频、参量放大、自聚焦等。我们将介绍这些效应的物理原理和在光信号处理、激光频率转换等方面的应用。 热效应 (Thermal Effects)：激光吸收能量后产生热量，可能导致材料熔化、汽化、烧蚀等。我们将分析热效应在激光加工、激光医疗等领域的应用和控制。 光化学效应 (Photochemical Effects)：激光能量引发物质的化学反应。我们将介绍光解、光聚合等效应，以及它们在光刻、激光诱导化学反应等领域的应用。 等离子体产生 (Plasma Generation)：高强度激光与物质相互作用可能产生等离子体。我们将探讨等离子体的特性和在激光焊接、激光诱导击穿光谱 (LIBS) 等方面的应用。 深入理解激光与物质的相互作用，是掌握激光应用技术精髓的关键。 第八章：激光的应用领域 激光技术的飞速发展，已经渗透到我们生活的方方面面。本章将重点介绍激光在各个领域的广泛应用： 工业领域： 激光加工：激光切割、焊接、打标、钻孔、表面处理等，以其高精度、高效率、低损伤的特点，在汽车、航空航天、电子制造等行业得到广泛应用。 测量与检测：激光测距、激光扫描、激光三维成像、激光干涉测量等，为精密制造和质量控制提供了强大的工具。 材料处理：激光退火、激光热处理、激光烧蚀等，用于改善材料性能和制造特殊结构。 信息技术领域： 光通信：利用激光作为信息载体，实现高速、远距离的数据传输，是现代互联网和通信系统的基石。 光存储：DVD、蓝光光盘等，利用激光读取和写入信息。 激光打印：激光打印机以其高清晰度和高速度，成为办公和印刷领域的主流技术。 医疗领域： 激光外科手术：精确、微创，用于眼科、皮肤科、肿瘤治疗等。 激光诊断：激光诱导荧光诊断、激光多普勒血流测量等。 激光美容：嫩肤、脱毛、祛斑、祛痘等，满足人们的美容需求。 激光治疗：光动力疗法、激光消融治疗等。 科学研究领域： 光谱学：高分辨率光谱分析、激光诱导击穿光谱 (LIBS)、拉曼光谱等，用于物质成分分析和结构鉴定。 激光诱导荧光 (LIF)：用于示踪、成分分析和等离子体诊断。 激光冷却与囚禁原子：在量子信息、精密测量等前沿领域具有重要意义。 激光雷达 (LiDAR)：用于测距、地形测绘、自动驾驶等。 激光物理研究：探索新的激光类型、非线性光学效应和量子光学现象。 军事与安全领域： 激光制导武器：提高武器的精确度。 激光测距与瞄准：用于战场侦察和目标定位。 激光对抗：干扰敌方传感器或直接毁伤目标。 日常生活： 条形码扫描仪 激光指示器 激光笔 本章旨在展现激光技术的巨大潜力和广泛影响，激发读者对激光科学和技术的进一步探索兴趣。 第九章：激光安全与防护 伴随激光技术的广泛应用，激光安全问题也日益凸显。本章将系统介绍激光的潜在危险，以及相应的安全防护措施： 激光辐射的危害：包括对眼睛的损伤（如视网膜损伤、白内障）、对皮肤的损伤（如烧伤、晒伤）、以及对生物组织的潜在影响。我们将根据激光的波长、功率、作用时间等因素，分析不同类型激光的危害程度。 激光安全标准与分类：介绍国际上通用的激光安全标准，如 IEC 60825 系列标准，以及对激光器按照危险程度进行的分类 (Class 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4)。 个人防护措施： 激光防护眼镜：选择合适的激光防护眼镜，根据激光波长和功率，确保其能够有效吸收或反射特定波长的激光。 防护服与皮肤防护：在可能暴露于高功率激光的环境中，穿着防护服，避免皮肤直接接触激光。 环境防护措施： 设置安全区域：在激光工作区域设置醒目的警示标志，限制非相关人员进入。 控制光束路径：避免激光束直接照射到人员或易燃易爆物品。 通风与排烟：在激光加工过程中，及时通风和排烟，防止有害气体对人体的伤害。 激光安全管理：强调建立完善的激光安全管理制度，对操作人员进行安全培训，制定应急预案。 确保激光安全，是充分发挥激光技术优势的前提。 第十章：激光技术的前沿展望 激光科学与技术正处于不断发展的黄金时期，本章将展望激光技术的未来发展趋势： 超短超强激光：研究皮秒、飞秒、阿秒乃至更短脉冲的激光，在超快现象研究、精密加工、高能量密度物理等领域展现出巨大潜力。 新型激光介质与工作原理：探索新的增益介质，如光子晶体、等离子体等，以及更高效、更便捷的激发方式。 量子激光器：将量子力学与激光技术深度融合，例如量子点激光器、拓扑激光器等，有望在量子计算、量子通信等领域实现突破。 高功率激光与激光聚变：发展更高功率、更高效率的激光器，为实现可控核聚变提供可能。 激光在人工智能与生物技术中的应用：探索激光在神经科学、基因编辑、药物研发等交叉学科领域的创新应用。 激光制造的智能化与自动化：将人工智能、大数据等技术与激光制造深度融合，实现更加智能化的生产过程。 通过对激光技术前沿的探讨，本书旨在激发读者对未来激光科技发展的想象，并鼓励他们投身于这一充满活力和挑战的领域。 本书不仅是对激光原理的深入剖析，更是一次对光之魅力的全面探索。通过阅读本书，相信读者能够建立起对激光科学的系统性认识，理解其深刻的物理基础，掌握其多样化的应用，并对激光技术的未来充满期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的配套资源（虽然我这里看不到实物，但从内容组织上推断）似乎非常丰富，体现在其对实验原理和测量方法的详尽覆盖上。在讲解光电探测器的工作原理和响应时间时，书中不仅仅停留在半导体PN结的物理模型上，还详细介绍了如何使用示波器和功率计对激光输出功率进行精确测量，甚至提到了不同测量设备引入的系统误差分析。这种对“如何验证理论”的重视，是许多传统教材所欠缺的。例如，在讨论激光多普勒效应的应用时，它没有仅仅满足于理论公式的展示，而是花了一个专门的小节来讲解如何搭建一个基本的测速系统框架，包括光源的选择、光路的设计和信号处理的基本流程。这对于即将进入实验室操作阶段的我们来说，简直是宝贵的“操作指南”。它成功地弥合了纯理论学习与工程实践之间的鸿沟，让书本上的知识具有了即时可操作性，而非仅仅是考试的知识点。这种注重实践连接的编排，让这本书的价值倍增。

评分☆☆☆☆☆

这本书的插图简直是为初学者量身定做，清晰度极高，那些复杂的物理概念通过图示一下子就变得直观易懂了。我记得我之前看其他教材时，光是理解某些光束衍射的图示就花了半天功夫，而这本教材里的每一张图都像是经过精心设计的教学辅助工具，色彩搭配和细节标注都恰到好处。比如，在讲解光束模式（TEM modes）那一部分，作者没有采用那种生硬的数学推导作为开端，而是先用一组渐变的、带着清晰标签的图形展示了高斯光束的横截面变化，这对于建立感性认识太重要了。我尤其欣赏的是，它没有把理论和实际应用割裂开来，每当引入一个核心公式时，紧接着就会有一个简短的“实验观察”或“器件应用”的侧边栏进行补充说明，让读者立刻明白这个公式在实际激光器设计中扮演什么角色。对于我们这些动手能力和理论基础都需要同步提升的学生来说，这种编排方式极大地减少了知识吸收的“摩擦力”。如果说有什么可以改进的地方，或许是在更高阶的非线性光学部分，能再多一些接近当前科研前沿的案例分析，那就更加完美了。但就作为一本为电子科学与技术专业打基础的教材而言，它的可视化教学水平已经远超我预期的标准。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格，我必须说，是一种非常难得的“技术之美”。它既保持了理工科教材应有的精确性和专业性，又避免了过度学术化带来的疏离感。阅读起来，你会感觉像是在听一位经验丰富、表达清晰的教授在做深入浅出的讲解。尤其是在阐述激光器的关键性能指标，比如阈值电流、光束质量因子（M²）这些概念时，作者没有直接抛出复杂的定义，而是会先用一个非常贴近实际工程场景的例子引入，然后再给出标准的物理定义。这种“先入为主”的场景构建，极大地增强了知识的粘性。更让我印象深刻的是，它对一些关键术语的引入都做了详细的背景介绍，比如解释“腔内损耗”时，它会细致地分辨出反射镜吸收、散射以及腔内介质吸收的占比差异，这对于未来进行激光器故障诊断和优化设计至关重要。这种细致入微的讲解，让读者感觉作者是真正站在一个工程师或者实验者的角度来组织材料的，而不是高高在上的理论家，阅读体验非常接地气。

评分☆☆☆☆☆

我发现这本书在叙述逻辑的严谨性上做得非常出色，它仿佛带着读者进行一场精确的“知识探险”。作者在介绍受激辐射这个核心概念时，采用了层层递进的结构，先从爱因斯坦的自发辐射和吸收系数讲起，用历史的眼光和严密的物理逻辑铺垫，确保读者对粒子布居反转的必要性有深刻的理解，而不是简单地接受一个结论。这种建立在坚实基础上的推进，使得后续的激光振荡理论、谐振腔稳定性分析等内容，读起来非常顺畅，没有那种“为了公式而公式”的枯燥感。我过去在阅读一些偏理论的物理书籍时，常常因为中间跳跃的步骤而感到困惑，但这本书的每一个推导过程都展示得非常详尽，即便是涉及到矩阵运算或复数形式的分析，作者也会贴心地给出辅助说明，确保读者能够跟上思路，而不是被复杂的代数运算绊倒。这种对教学路径的深度考量，体现了编著者深厚的教学经验。它不仅仅是知识的堆砌，更像是一套精心设计的认知导图，引导读者从宏观现象逐步深入到微观机制，结构上的稳定感让人在阅读过程中充满了信心。

评分☆☆☆☆☆

这本书在内容广度和深度上的平衡把握得近乎完美，堪称是为专业特色方向量身定制的范本。它并没有因为是“基础教材”而回避掉一些具有挑战性的主题，比如对光纤耦合效率的详细分析，以及对不同增益介质（如Nd:YAG, CO2等）特性的对比总结。最值得称赞的是，它在处理不同波长激光的特性差异时，考虑到了材料科学和光谱学的交叉影响，这点在很多基础教材中往往被简单化处理。比如，讲解半导体激光器时，它对量子阱结构和注入电流依赖性的描述就非常深入，让读者理解了为什么微小的结构变化能带来巨大的性能飞跃。同时，它也没有陷入过于前沿、脱离基础的泥潭，而是始终将知识点锚定在理解和应用激光器的核心组件上。整本书的知识密度很高，但由于其清晰的章节结构和良好的过渡设计，使得这种高密度信息输入过程变得可以被有效消化。它不只是教会了“是什么”，更深层次地教会了“为什么会是这样”，以及“如何利用这个原理去解决问题”，这才是理工科教材最核心的价值所在。