激光原理(普通高等教育電子科學與技術類特色專業係列規劃教材) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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袁曉東劉肯 編

圖書標籤:

• 激光原理
• 激光技術
• 光學
• 物理學
• 電子科學與技術
• 高等教育
• 教材
• 光電子技術
• 激光應用
• 半導體激光器

店鋪： 土星圖書專營店

齣版社： 科學

ISBN：9787030472892

商品編碼：29734816397

開本：16

齣版時間：2016-03-01

基本信息

• 商品名稱：激光原理(普通高等教育電子科學與技術類特色專業係列規劃教材)
• 作者：編者:袁曉東//劉肯
• 定價：59
• 齣版社：科學
• ISBN號：9787030472892

其他參考信息（以實物為準）

• 齣版時間：2016-03-01
• 印刷時間：2018-05-01
• 版次：1
• 印次：3
• 開本：16開
• 包裝：平裝
• 頁數：248
• 字數：415韆字

內容提要

袁曉東、劉肯編著的《激光原理（普通高等教育 電子科學與技術類特色專業係列規劃教材）》首先闡 述激光與普通光的本質區彆，使讀者對於激光有一個 總體認識；接下來討論激光諧振腔、高斯光束和高斯 光束的變換，讀者可以瞭解激光諧振腔和激光光束的 性質，掌握激光光束的變換規律和操控方法；通過激 光器經典理論和半經典理論的學習，讀者能夠瞭解激 光放大和振蕩的基本規律；激光器模式控製和脈衝激 光器部分則主要講述如何對激光器進行操控來實現激 光的高頻率分辨或者高時間分辨；*後對於常見的典 型激光器作瞭簡單介紹，使讀者對於不同類型激光器 的特點有一個較全麵的瞭解。
     本書可作為高等工科院校本科生激光原理課程教 材，也可供相關專業方嚮的高等院校師生及工程技術 人員參考。
    

目錄

前言
第1章 光波的相乾性描述
1.1 激光的概念
1.2 光波的模式密度
1.3 光波的縱嚮相乾性
1.4 橫嚮相乾性
1.5 集光率與輻射度
習題
第2章 光學諧振腔的一般性質
2.1 平行平麵鏡腔的光強透射率
2.2 諧振頻率
2.3 模式頻率寬度
2.4 光子壽命與品質因子
習題
第3章 高斯光束與激光諧振腔
3.1 對稱共焦腔中的自再現模
3.2 高斯光束
3.3 薄透鏡對高斯光束的變換
3.4 一般球麵鏡光學諧振腔中的高斯光束
3.5 高階模
3.6 諧振腔的諧振頻率
習題
第4章 高斯光束傳輸變換
4.1 高斯光束的聚焦
4.2 高斯光束的準直
4.3 光綫光學的矩陣方法和高斯光束的傳輸變換
習題
第5章 受激輻射和光增益
5.1 受激輻射
5.2 自發輻射的經典諧振子模型
5.3 激光增益
5.4 增益截麵
5.5 非輻射躍遷和量子效率
習題
第6章 激光放大器
6.1 三能級係統與四能級係統的粒子數變化的速率方程
6.2 增益飽和
6.3 放大器增益
6.4 光縴放大器
習題
第7章 連續波激光器
7.1 激光産生的條件
7.2 激光器穩態運轉
習題
第8章 激光器的半經典理論
8.1 密度矩陣
8.2 集居數矩陣
8.3 電磁場方程
8.4 激光器的單模運轉和速率方程解
8.5 激光器的多模運轉
8.6 兩模運轉和模競爭問題
8.7 三模運轉和鎖模
習題
第9章 氣體激光器
9.1 運動原子的多普勒效應
9.2 氣體原子激光器振蕩的定性討論
9.3 氣體原子輻射的頻率分布
9.4 非均勻加寬增益介質的增益係數
9.5 氣體介質激光器的輸齣光強
習題
**0章 激光器模式控製
10.1 均勻加寬增益介質激光器
10.2 非均勻加寬增益介質激光器
10.3 激光器的穩頻
習題
**1章 脈衝激光器
11.1 Q開關激光器理論
11.2 Q開關激光器産生激光脈衝的過程
11.3 激光器Q開關實現方法
11.4 激光器鎖模原理
11.5 激光器鎖模的方法
習題
**2章 典型激光器簡介
12.1 原子激光器
12.2 分子激光器
12.3 離子激光器和準分子激光器
12.4 固體激光器
12.5 光縴激光器
習題
**3章 半導體激光器
13.1 半導體材料的性質
13.2 半導體激光器的諧振腔
13.3 半導體激光器的工作原理
13.4 半導體激光器的速率方程
習題
附錄A 薄透鏡對光束的變換性質
附錄B 方形球麵鏡諧振腔的諧振頻率
附錄C **1章式（1145）的推導
附錄D 布拉格聲光光柵的衍射效率與光縴光柵的反射率
附錄E 符號索引
附錄F 習題參考答案與解答
參考文獻

光之魅影：探尋激光世界的奧秘 從古老的火種到現代的光束，人類對光的研究從未停止。而激光，作為一種革命性的光源，以其獨特的單色性、方嚮性和相乾性，深刻地改變瞭我們的科技、工業、醫療乃至日常生活。本書將帶領讀者踏上一場探索激光原理的奇妙旅程，深入揭示其背後蘊藏的深刻物理規律和工程應用。 第一章：光的波粒二象性與量子力學基礎 要理解激光，首先必須迴溯到光的本質。本章將從經典光學齣發，介紹光的波動理論，闡述乾涉、衍射等現象，展現光作為一種波所展現齣的優雅特性。隨後，我們將轉嚮量子力學的視角，引入光子概念，解釋光電效應、康普頓散射等現象，揭示光同時也具有粒子性。這種波粒二象性是理解激光工作機製的基石，我們將逐步構建起量子力學的基本框架，包括能級、躍遷、量子化等核心概念，為後續激光原理的學習打下堅實的基礎。我們將詳細介紹普朗剋提齣的能量量子假說，愛因斯坦對光電效應的解釋，以及玻爾原子模型對電子能級量子化的闡述。這些基礎性的概念將幫助讀者理解原子在特定能量狀態下的行為，而這正是激光産生過程的關鍵。 第二章：原子光譜與受激發射 物質與光相互作用的規律是理解激光産生過程的另一重要環節。本章將深入探討原子光譜，解釋不同元素發光和吸光的特點，並介紹原子能級躍遷的微觀機製。我們將重點闡述受激發射的概念，這是激光産生的核心物理過程。當一個處於激發態的原子受到一個與能級差相匹配的光子轟擊時，它會以光子誘導的方式躍遷迴低能級，並釋放齣一個與入射光子完全相同的光子，包括頻率、相位和方嚮。我們將詳細分析受激發射的概率，並將其與自發輻射和受激吸收進行對比，強調受激發射在激光産生中的主導作用。通過對原子光譜學的深入理解，讀者將能認識到不同物質對光的吸收和發射特性，從而為選擇閤適的激光介質做好鋪墊。 第三章：激光器的組成與工作原理 本章將正式引入激光器的概念，詳細介紹激光器的基本組成部分，包括： 增益介質 (Gain Medium)：這是激光器中能夠實現粒子數反轉並産生受激發射的核心物質，可以是固體、液體、氣體或半導體材料。我們將分析不同增益介質的特性，以及它們在激光器設計中的選擇考量。 激勵源 (Pumping Source)：為增益介質提供能量，使其達到粒子數反轉狀態的能量來源，例如光學泵浦、電激勵、化學反應等。我們將探討各種激勵方式的工作原理和優缺點。 諧振腔 (Resonant Cavity)：由兩個或多個反射鏡組成，用於對光波進行多次反射和放大，形成激光振蕩。我們將深入分析諧振腔的結構、模式以及其對激光輸齣特性的影響。 在此基礎上，我們將整閤以上要素，清晰地闡述激光器的整體工作原理。我們將詳細描述粒子數反轉是如何實現的，能量是如何通過泵浦注入的，以及受激發射的光子如何在諧振腔內不斷放大，最終形成高強度、高方嚮性的激光束。我們將分析激光器的閾值現象，即激光輸齣必須達到一定的泵浦能量纔能開始，並解釋閾值以下和閾值以上的工作狀態。 第四章：粒子數反轉與激光閾值 粒子數反轉是激光産生的關鍵前提條件。本章將專注於這一核心概念，深入探討其物理機製和實現方法。我們將解釋，在正常情況下，原子處於低能級的人數遠多於處於高能級的人數，而要産生激光，則需要打破這種平衡，使處於激發態的原子數量超過處於基態的原子數量，即實現粒子數反轉。 我們將詳細分析實現粒子數反轉的各種泵浦技術，包括： 光學泵浦：利用外部光源（如閃光燈、另一束激光）激發增益介質。 電激勵泵浦：通過電場或電暈放電使氣體分子或等離子體獲得能量。 化學泵浦：利用化學反應釋放的能量來激發原子或分子。 注入鎖定：利用外部激光信號來觸發和同步內部激光的産生。 同時，我們將詳細闡述激光閾值這一重要概念。激光器隻有在泵浦能量達到一定臨界值時纔能開始振蕩並輸齣激光，這個臨界值就是激光閾值。我們將分析影響激光閾值的各種因素，包括增益介質的損耗、諧振腔的反射率、腔長等，並給齣計算激光閾值的方法。理解粒子數反轉和激光閾值，是掌握激光器工作實質的關鍵。 第五章：激光器的類型與特點 激光器種類繁多，其設計和應用各有側重。本章將對幾種主要的激光器類型進行詳細介紹，分析它們的特點、工作介質和典型應用： 氣體激光器：如氦氖激光器 (He-Ne laser)、二氧化碳激光器 (CO2 laser)、氬離子激光器 (Ar+ laser) 等。我們將探討它們的激發方式、輸齣波長以及在工業切割、醫療美容、科學研究等領域的應用。 固體激光器：如紅寶石激光器 (Ruby laser)、釹玻璃激光器 (Nd:glass laser)、Nd:YAG 激光器 (Nd:YAG laser) 等。我們將介紹它們的增益介質、工作模式以及在激光焊接、激光雷達、光譜分析等領域的廣泛應用。 半導體激光器 (Semiconductor Lasers)：包括結型半導體激光器、量子阱激光器等。我們將重點闡述其工作原理、小尺寸、高效率等特點，以及在光通信、激光打印、DVD 播放器等方麵的支配性地位。 染料激光器 (Dye Lasers)：以有機染料為增益介質，具有可調諧性強的特點。我們將介紹其結構、調諧機製以及在光譜學、醫學診斷等領域的重要作用。 自由電子激光器 (Free Electron Lasers, FELs)：利用高能電子束與周期性磁場相互作用産生激光，具有極寬的波長可調範圍。我們將對其基本原理和前沿研究進行介紹。 通過對不同類型激光器的比較分析，讀者將能更全麵地認識激光技術的廣度和深度，並能根據實際需求選擇閤適的激光器。 第六章：激光的光束質量與參量 激光束並非簡單的光束，其質量和參量直接決定瞭其應用效果。本章將深入探討激光的光束質量，引入以下重要概念： 模式 (Mode)：諧振腔內可以支持的多種電磁場分布，包括基模 (TEM00) 和高次模。我們將詳細解釋不同模式的特性，以及基模激光束的優越性。 高斯光束 (Gaussian Beam)：在近遠場都具有高斯分布的光束，是理想的激光束模型。我們將介紹高斯光束的數學描述，包括束腰半徑、發散角、瑞利長度等關鍵參量。 光束質量參數 M² (M-squared parameter)：衡量實際激光束與理想高斯光束偏離程度的參數。M² 值越接近1，激光束質量越高。我們將解釋 M² 值的計算方法及其重要性。 相乾性 (Coherence)：包括時間相乾性和空間相乾性，是激光區彆於傳統光源的關鍵特性。我們將深入解釋這兩種相乾性的概念，以及它們在乾涉、全息等應用中的作用。 單色性 (Monochromaticity)：激光光譜綫寬度極窄，輸齣光波長單一。我們將分析其物理根源，以及在光譜測量、精密加工等領域的優勢。 方嚮性 (Directionality)：激光束發散角極小，方嚮性極好。我們將解釋其與諧振腔設計和衍射效應的關係。 通過對這些光束參量的理解，讀者將能定量評估激光器的性能，並為激光的應用設計提供科學依據。 第七章：激光與物質的相互作用 激光與物質的相互作用是激光得以廣泛應用的基礎。本章將詳細探討激光與物質相互作用的各種機製，包括： 吸收 (Absorption)：物質吸收激光能量，導緻其內部狀態發生變化。我們將分析不同物質對不同波長激光的吸收特性，以及吸收引起的溫度升高、化學鍵斷裂等效應。 散射 (Scattering)：激光與物質中的粒子發生碰撞，改變其傳播方嚮。我們將介紹瑞利散射、米氏散射等現象，以及它們在激光雷達、遙感等領域的應用。 透射 (Transmission)：激光穿過物質而不被吸收或散射。我們將分析物質的透過率與其厚度、成分、波長等的關係。 非綫性光學效應 (Nonlinear Optical Effects)：當激光強度非常高時，物質的介電常數會發生變化，導緻一係列非綫性現象，如倍頻、參量放大、自聚焦等。我們將介紹這些效應的物理原理和在光信號處理、激光頻率轉換等方麵的應用。 熱效應 (Thermal Effects)：激光吸收能量後産生熱量，可能導緻材料熔化、汽化、燒蝕等。我們將分析熱效應在激光加工、激光醫療等領域的應用和控製。 光化學效應 (Photochemical Effects)：激光能量引發物質的化學反應。我們將介紹光解、光聚閤等效應，以及它們在光刻、激光誘導化學反應等領域的應用。 等離子體産生 (Plasma Generation)：高強度激光與物質相互作用可能産生等離子體。我們將探討等離子體的特性和在激光焊接、激光誘導擊穿光譜 (LIBS) 等方麵的應用。 深入理解激光與物質的相互作用，是掌握激光應用技術精髓的關鍵。 第八章：激光的應用領域 激光技術的飛速發展，已經滲透到我們生活的方方麵麵。本章將重點介紹激光在各個領域的廣泛應用： 工業領域： 激光加工：激光切割、焊接、打標、鑽孔、錶麵處理等，以其高精度、高效率、低損傷的特點，在汽車、航空航天、電子製造等行業得到廣泛應用。 測量與檢測：激光測距、激光掃描、激光三維成像、激光乾涉測量等，為精密製造和質量控製提供瞭強大的工具。 材料處理：激光退火、激光熱處理、激光燒蝕等，用於改善材料性能和製造特殊結構。 信息技術領域： 光通信：利用激光作為信息載體，實現高速、遠距離的數據傳輸，是現代互聯網和通信係統的基石。 光存儲：DVD、藍光光盤等，利用激光讀取和寫入信息。 激光打印：激光打印機以其高清晰度和高速度，成為辦公和印刷領域的主流技術。 醫療領域： 激光外科手術：精確、微創，用於眼科、皮膚科、腫瘤治療等。 激光診斷：激光誘導熒光診斷、激光多普勒血流測量等。 激光美容：嫩膚、脫毛、祛斑、祛痘等，滿足人們的美容需求。 激光治療：光動力療法、激光消融治療等。 科學研究領域： 光譜學：高分辨率光譜分析、激光誘導擊穿光譜 (LIBS)、拉曼光譜等，用於物質成分分析和結構鑒定。 激光誘導熒光 (LIF)：用於示蹤、成分分析和等離子體診斷。 激光冷卻與囚禁原子：在量子信息、精密測量等前沿領域具有重要意義。 激光雷達 (LiDAR)：用於測距、地形測繪、自動駕駛等。 激光物理研究：探索新的激光類型、非綫性光學效應和量子光學現象。 軍事與安全領域： 激光製導武器：提高武器的精確度。 激光測距與瞄準：用於戰場偵察和目標定位。 激光對抗：乾擾敵方傳感器或直接毀傷目標。 日常生活： 條形碼掃描儀 激光指示器 激光筆 本章旨在展現激光技術的巨大潛力和廣泛影響，激發讀者對激光科學和技術的進一步探索興趣。 第九章：激光安全與防護 伴隨激光技術的廣泛應用，激光安全問題也日益凸顯。本章將係統介紹激光的潛在危險，以及相應的安全防護措施： 激光輻射的危害：包括對眼睛的損傷（如視網膜損傷、白內障）、對皮膚的損傷（如燒傷、曬傷）、以及對生物組織的潛在影響。我們將根據激光的波長、功率、作用時間等因素，分析不同類型激光的危害程度。 激光安全標準與分類：介紹國際上通用的激光安全標準，如 IEC 60825 係列標準，以及對激光器按照危險程度進行的分類 (Class 1, 1M, 2, 2M, 3R, 3B, 4)。 個人防護措施： 激光防護眼鏡：選擇閤適的激光防護眼鏡，根據激光波長和功率，確保其能夠有效吸收或反射特定波長的激光。 防護服與皮膚防護：在可能暴露於高功率激光的環境中，穿著防護服，避免皮膚直接接觸激光。 環境防護措施： 設置安全區域：在激光工作區域設置醒目的警示標誌，限製非相關人員進入。 控製光束路徑：避免激光束直接照射到人員或易燃易爆物品。 通風與排煙：在激光加工過程中，及時通風和排煙，防止有害氣體對人體的傷害。 激光安全管理：強調建立完善的激光安全管理製度，對操作人員進行安全培訓，製定應急預案。 確保激光安全，是充分發揮激光技術優勢的前提。 第十章：激光技術的前沿展望 激光科學與技術正處於不斷發展的黃金時期，本章將展望激光技術的未來發展趨勢： 超短超強激光：研究皮秒、飛秒、阿秒乃至更短脈衝的激光，在超快現象研究、精密加工、高能量密度物理等領域展現齣巨大潛力。 新型激光介質與工作原理：探索新的增益介質，如光子晶體、等離子體等，以及更高效、更便捷的激發方式。 量子激光器：將量子力學與激光技術深度融閤，例如量子點激光器、拓撲激光器等，有望在量子計算、量子通信等領域實現突破。 高功率激光與激光聚變：發展更高功率、更高效率的激光器，為實現可控核聚變提供可能。 激光在人工智能與生物技術中的應用：探索激光在神經科學、基因編輯、藥物研發等交叉學科領域的創新應用。 激光製造的智能化與自動化：將人工智能、大數據等技術與激光製造深度融閤，實現更加智能化的生産過程。 通過對激光技術前沿的探討，本書旨在激發讀者對未來激光科技發展的想象，並鼓勵他們投身於這一充滿活力和挑戰的領域。 本書不僅是對激光原理的深入剖析，更是一次對光之魅力的全麵探索。通過閱讀本書，相信讀者能夠建立起對激光科學的係統性認識，理解其深刻的物理基礎，掌握其多樣化的應用，並對激光技術的未來充滿期待。

評分☆☆☆☆☆

這本書在內容廣度和深度上的平衡把握得近乎完美，堪稱是為專業特色方嚮量身定製的範本。它並沒有因為是“基礎教材”而迴避掉一些具有挑戰性的主題，比如對光縴耦閤效率的詳細分析，以及對不同增益介質（如Nd:YAG, CO2等）特性的對比總結。最值得稱贊的是，它在處理不同波長激光的特性差異時，考慮到瞭材料科學和光譜學的交叉影響，這點在很多基礎教材中往往被簡單化處理。比如，講解半導體激光器時，它對量子阱結構和注入電流依賴性的描述就非常深入，讓讀者理解瞭為什麼微小的結構變化能帶來巨大的性能飛躍。同時，它也沒有陷入過於前沿、脫離基礎的泥潭，而是始終將知識點錨定在理解和應用激光器的核心組件上。整本書的知識密度很高，但由於其清晰的章節結構和良好的過渡設計，使得這種高密度信息輸入過程變得可以被有效消化。它不隻是教會瞭“是什麼”，更深層次地教會瞭“為什麼會是這樣”，以及“如何利用這個原理去解決問題”，這纔是理工科教材最核心的價值所在。

評分☆☆☆☆☆

我發現這本書在敘述邏輯的嚴謹性上做得非常齣色，它仿佛帶著讀者進行一場精確的“知識探險”。作者在介紹受激輻射這個核心概念時，采用瞭層層遞進的結構，先從愛因斯坦的自發輻射和吸收係數講起，用曆史的眼光和嚴密的物理邏輯鋪墊，確保讀者對粒子布居反轉的必要性有深刻的理解，而不是簡單地接受一個結論。這種建立在堅實基礎上的推進，使得後續的激光振蕩理論、諧振腔穩定性分析等內容，讀起來非常順暢，沒有那種“為瞭公式而公式”的枯燥感。我過去在閱讀一些偏理論的物理書籍時，常常因為中間跳躍的步驟而感到睏惑，但這本書的每一個推導過程都展示得非常詳盡，即便是涉及到矩陣運算或復數形式的分析，作者也會貼心地給齣輔助說明，確保讀者能夠跟上思路，而不是被復雜的代數運算絆倒。這種對教學路徑的深度考量，體現瞭編著者深厚的教學經驗。它不僅僅是知識的堆砌，更像是一套精心設計的認知導圖，引導讀者從宏觀現象逐步深入到微觀機製，結構上的穩定感讓人在閱讀過程中充滿瞭信心。

評分☆☆☆☆☆

這本書的插圖簡直是為初學者量身定做，清晰度極高，那些復雜的物理概念通過圖示一下子就變得直觀易懂瞭。我記得我之前看其他教材時，光是理解某些光束衍射的圖示就花瞭半天功夫，而這本教材裏的每一張圖都像是經過精心設計的教學輔助工具，色彩搭配和細節標注都恰到好處。比如，在講解光束模式（TEM modes）那一部分，作者沒有采用那種生硬的數學推導作為開端，而是先用一組漸變的、帶著清晰標簽的圖形展示瞭高斯光束的橫截麵變化，這對於建立感性認識太重要瞭。我尤其欣賞的是，它沒有把理論和實際應用割裂開來，每當引入一個核心公式時，緊接著就會有一個簡短的“實驗觀察”或“器件應用”的側邊欄進行補充說明，讓讀者立刻明白這個公式在實際激光器設計中扮演什麼角色。對於我們這些動手能力和理論基礎都需要同步提升的學生來說，這種編排方式極大地減少瞭知識吸收的“摩擦力”。如果說有什麼可以改進的地方，或許是在更高階的非綫性光學部分，能再多一些接近當前科研前沿的案例分析，那就更加完美瞭。但就作為一本為電子科學與技術專業打基礎的教材而言，它的可視化教學水平已經遠超我預期的標準。

評分☆☆☆☆☆

這本書的配套資源（雖然我這裏看不到實物，但從內容組織上推斷）似乎非常豐富，體現在其對實驗原理和測量方法的詳盡覆蓋上。在講解光電探測器的工作原理和響應時間時，書中不僅僅停留在半導體PN結的物理模型上，還詳細介紹瞭如何使用示波器和功率計對激光輸齣功率進行精確測量，甚至提到瞭不同測量設備引入的係統誤差分析。這種對“如何驗證理論”的重視，是許多傳統教材所欠缺的。例如，在討論激光多普勒效應的應用時，它沒有僅僅滿足於理論公式的展示，而是花瞭一個專門的小節來講解如何搭建一個基本的測速係統框架，包括光源的選擇、光路的設計和信號處理的基本流程。這對於即將進入實驗室操作階段的我們來說，簡直是寶貴的“操作指南”。它成功地彌閤瞭純理論學習與工程實踐之間的鴻溝，讓書本上的知識具有瞭即時可操作性，而非僅僅是考試的知識點。這種注重實踐連接的編排，讓這本書的價值倍增。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格，我必須說，是一種非常難得的“技術之美”。它既保持瞭理工科教材應有的精確性和專業性，又避免瞭過度學術化帶來的疏離感。閱讀起來，你會感覺像是在聽一位經驗豐富、錶達清晰的教授在做深入淺齣的講解。尤其是在闡述激光器的關鍵性能指標，比如閾值電流、光束質量因子（M²）這些概念時，作者沒有直接拋齣復雜的定義，而是會先用一個非常貼近實際工程場景的例子引入，然後再給齣標準的物理定義。這種“先入為主”的場景構建，極大地增強瞭知識的粘性。更讓我印象深刻的是，它對一些關鍵術語的引入都做瞭詳細的背景介紹，比如解釋“腔內損耗”時，它會細緻地分辨齣反射鏡吸收、散射以及腔內介質吸收的占比差異，這對於未來進行激光器故障診斷和優化設計至關重要。這種細緻入微的講解，讓讀者感覺作者是真正站在一個工程師或者實驗者的角度來組織材料的，而不是高高在上的理論傢，閱讀體驗非常接地氣。