激光原理与技术 第一部分激光原理部分 第二部分激光技术部分 第一章激光的基本原理 。第八章激光特性的控制与改善 第二章开放式光腔与高斯光束 第九章激光器件 第三章空心介质波导与谐振腔 第四章电磁场和物质的共振相互作用 第五章激光振荡特性 第六章激光放大特性 第七章激光振荡的半经典理论
激光原理与技术 第一部分 激光原理部分 第一章 激光的基本原理 第三章 空心介质波导与谐振腔 第二章 开放式光腔与高斯光束 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 第五章 激光振荡特性 第六章 激光放大特性 第七章 激光振荡的半经典理论 第二部分 激光技术部分 第八章 激光特性的控制与改善 第九章 激光器件
2.5方形镜共焦的自再现模 第一章激光的基本原理 2.6方形镜共焦腔的行波场 1相干性的光子描述 2.7圆形镜共焦腔 1.2光的受激辐射基本概念 2.8一般稳定球面腔模式特征 1.3光的受激辐射放大 2.9高斯光束的基本性质及特征参数 4光的自激振荡 2.10高斯光束q参数的变换规律 1.5激光的特性 2.11高斯光束的聚焦和准直 第二章开放式光腔与高斯光束 2.12高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 2.1光腔理论的一般问题 2.13光束衍射倍率因子 2.2共轴球面的稳定性条件 2.14非稳腔的几何自再现波型 2.3开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法 24平行平面腔模的迭代解法 2.15非稳腔的几何放大率和自再现波型的能量 损耗
第一章 激光的基本原理 1.1 相干性的光子描述 1.2 光的受激辐射基本概念 1.3 光的受激辐射放大 1.4 光的自激振荡 1.5 激光的特性 第二章 开放式光腔与高斯光束 2.1 光腔理论的一般问题 2.2 共轴球面的稳定性条件 2.3 开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法 2.4 平行平面腔模的迭代解法 2.5 方形镜共焦的自再现模 2.6 方形镜共焦腔的行波场 2.7 圆形镜共焦腔 2.8 一般稳定球面腔模式特征 2.9 高斯光束的基本性质及特征参数 2.10 高斯光束q参数的变换规律 2.12 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 2.14 非稳腔的几何自再现波型 2.15非稳腔的几何放大率和自再现波型的能量 损耗 2.11 高斯光束的聚焦和准直 2.13 光束衍射倍率因子
第三章空心介质波导光谐振腔 第四章电磁场和物质的共振相互作用 3.1空心波导光谐振腔的构成和特征 4.1电介质的极化 3.2空心圆柱波导管中的本征模 42光和物质相互作用的经典理论简介 33圆波导本征模的传输常数和损耗特性43谱线加宽和线型函数 34空心矩形介质波导管中的本征模 4.4典型激光器的速率方程 3.5空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗4.5均匀加宽工作物质的增益系数 4.6非均匀加宽工作物质的增益系数 4.7综合均匀加宽工作物质的增益系数
第三章 空心介质波导光谐振腔 3.1 空心波导光谐振腔的构成和特征 3.2 空心圆柱波导管中的本征模 3.3 圆波导本征模的传输常数和损耗特性 3.4 空心矩形介质波导管中的本征模 3.5 空心介质波导光谐振腔的反馈耦合损耗 第四章 电磁场和物质的共振相互作用 4.1 电介质的极化 4.2 光和物质相互作用的经典理论简介 4.3 谱线加宽和线型函数 4.4 典型激光器的速率方程 4.5 均匀加宽工作物质的增益系数 4.6 非均匀加宽工作物质的增益系数 4.7 综合均匀加宽工作物质的增益系数
第五章激光振荡特性 第六章激光器的放大特性 5.1激光器的振荡阈值 6.1激光放大器的分类 5.2激光器的振荡模式 62均匀激励连续激光放大器的增益特性 5.3输出功率和能量 63纵向光均匀激励连续激光放大器 的增益特性 5.4弛豫振荡 6.4脉冲激光放大器的增益特性 5.5单模激光器的线宽极限 6.5放大的自发辐射(ASE) 5.6激光器的频率牵引 6.6光放大的噪声
第五章 激光振荡特性 5.1 激光器的振荡阈值 5.2 激光器的振荡模式 5.3 输出功率和能量 5.4 弛豫振荡 5.5 单模激光器的线宽极限 第六章 激光器的放大特性 6.1 激光放大器的分类 6.2 均匀激励连续激光放大器的增益特性 6.3 纵向光均匀激励连续激光放大器 的增益特性 6.4 脉冲激光放大器的增益特性 5.6 激光器的频率牵引 6.5 放大的自发辐射（ASE） 6.6 光放大的噪声
第七章激光振荡的半经典理论第八章激光器特性的控制和改善 7.1激光振荡的自洽方程组 8.1模式选择 7.2原子系统的电偶级距 8.2频率稳定 7.3密度距阵 83-Q调制 8.4注入锁定 8.5锁模
第七章 激光振荡的半经典理论 7.1 激光振荡的自洽方程组 7.2 原子系统的电偶级距 7.3 密度距阵 第八章 激光器特性的控制和改善 8.1 模式选择 8.2 频率稳定 8.3 Q调制 8.4 注入锁定 8.5 锁模
第九章激光器件 9.1固体激光器 9.2气体激光器 9.3半导体激光器 94染料激光器
第九章 激光器件 9.1 固体激光器 9.2 气体激光器 9.3 半导体激光器 9.4 染料激光器
第一章激光的基本原理 本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐 射以及光放大和振荡的基本概念。 1.1相干性的光子描述 光子的基本性质 光的量子学说(光于说)认为,光是二种以光速c运动的光子流。光子(电磁场量子)和 属性(频率、彼矢、偏振等)密切联系,并可归纳如下: (1)光子的能量ε与光波频率v对应 E=hv (1.1.1) 式中h=6626×1034J.s,称为普朗克常数。 (2)光子具有运动质量m,并可表示为 hp 1.1.2) 光子的静止质量为零
第一章 激光的基本原理 本章概激光器基本原理。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系、光的受激辐 射以及光放大和振荡的基本概念。 1.1 相干性的光子描述 一、光子的基本性质 · 光的量子学说(光于说)认为，光是一种以光速c运动的光子流。光子（电磁场量子）和 其它基本粒子一样，具有能量、动量和质量等。它的粒子属性(能量，动量，质量等)和波动 属性(频率、彼矢、偏振等)密切联系，并可归纳如下： （1）光子的能量ε与光波频率ν对应 ε=hv （1.1.1） 式中 h＝6.626×10-34J．s，称为普朗克常数。 （2）光子具有运动质量m，并可表示为 光子的静止质量为零。 （1.1.2）
(3)光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应 h 2rs P= mcne -no 2x 20=4k 式中 2,x 2丌 n n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量 4.光于具有两种可能的独立偏振状态,对应于光波场的两个独立偏振方向 5.光于具有自旋,并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合, 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的, 这是光子与其它服从费米统计分布的粒子(电子、质子、中子等)的重要区别 上述基本关系式(1.1.1)相(11.3)后来为康普顿( Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年),并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来,从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中, 任意电磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线性叠加
（3）光子的动量P与单色平面光波的波矢k对应 （1.1.3 n。为光子运动方向(平面光波传播方向)上的单位矢量。 4．光于具有两种可能的独立偏振状态，对应于光波场的两个独立偏振方向。 5．光于具有自旋，并且自旋量子数为整数。因此大量光于的集合， 服从玻色—爱因斯坦统计规律。处于同一状态的光子数目是没有限制的， 这是光子与其它服从费米统计分布的 粒子(电子、质子、中子等)的重要区别。 上述基本关系式(1.1.1)相(1.1.3)后来为康普顿(Arthur Compton)散射实验所证实 (1923年)，并在现代量子电动力学中得到理论解释。量子电动力学从理论上把光的电磁 (波动)理论和光子(微粒)理论在电磁场的量子化描述的基础上统一起来，从而在理论上 阐明了光的波粒二象性。在这种描述中， 任意电磁场可看作是一系列单色平面电磁波(它们以波矢k为标志)的线性叠加， 式中
或一系列电磁被的本征模式(或本征状态)的叠加。但每个本征模式所具有的能量 是量子化的,即可表为基元能量hv的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动 量hk1的整数倍。这种具有基元能量hv和基元动量hk1的物质单元就称为属于第L 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此间不可 区分,因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子数目是没有限制的。 光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出,按照量子电动力学概念,光波的模式和光子的状态是等 效的概念。下面将对这一点进行深入一步的讨论 由于光的波粒二象性,我们可以用波动和粒子两种观点来描述它 在激光理论中,光波模式是一个重要概念。按照经典电磁理论,光电磁波的运动规律 由麦克斯韦( C Maxwel)方程决定。单色平面波是麦克斯韦方程的一种特解,它表示为 E(r,t)=E 记2记r (1.14) (1-1-4) 式中E0为光波电场的振幅矢量,为单色平面波的频率,「为空间位置坐标矢量,k为波 矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。 在自由空间,具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的 空间V例如谐振腔)内,只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能 够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电 磁波运动的一种类型,不同模式以不同的k区分。同时,考虑到电磁波的两种独立的偏振, 同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模
或一系列电磁被的本征模式(或本征状态)的叠加。但每个本征模式所具有的能量 是量子化的，即可表为基元能量hv的整数倍。本征模式的动量也可表为基元动 量hk1的整数倍。这种具有基元能量hv1和基元动量hk1的物质单元就称为属于第L 个本征模式(或状态)的光子。具有相同能量和动量的光子彼此间不可 区分，因而处于同一模式(或状态)。每个模式内的光子数目是没有限制的。 二、光波模式和光子状态相格 从上面的叙述已经可以看出，按照量子电动力学概念，光波的模式和光子的状态是等 效的概念。下面将对这一点进行深入一步的讨论。 由于光的波粒二象性，我们可以用波动和粒子两种观点来描述它。 在激光理论中，光波模式是一个重要概念。按照经典电磁理论，光电磁波的运动规律 由麦克斯韦(C.Maxwell)方程决定。单色平面波是麦克斯韦方程的一种特解，它表示为 式中E0为光波电场的振幅矢量，ν为单色平面波的频率，r为空间位置坐标矢量，k为波 矢。而麦克斯韦方程的通解可表为一系列单色平面波的线性叠加。 在自由空间，具有任意波矢k的单色平面波都可以存在。但在一个有边界条件限制的 空间V(例如谐振腔)内，只能存在一系列独立的具有特定波矢k的平面单色驻波。这种能 够存在于腔内的驻波(以某一波矢k为标志)称为电磁被的模式或光波模。一种模式是电 磁波运动的一种类型，不同模式以不同的k区分。同时，考虑到电磁波的两种独立的偏振， 同一波矢k对应着两个具有不同偏振方向的模。 （1.1.4）
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为∨=△x△y△z的立方体,则沿三个 坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为 Ax=mM2,y=nA2,△z=qM2 式中mAq为正整数。而波矢k的三个分量应满足条件 kx=mm△xky=mn△y,kz=nq/△z 每一组正整数m,n,q对应腔内一种模式(包含两个偏振) 如果在以 kx ky k2为轴的直角坐标系中,即在波矢 空间中表示光波模,侧每个模对应波矢空间的一点(如图 1.11所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为 △k=△x,△k=n△y,△kz=n△y (1.1.6) 因此,每个模式在波矢空间占有一个体积元 △k△kAk2=n3/(△xAy△z)=n3N (1.1.7) 图1-1-1波矢空间
下面求解空腔v内的模式数目。设空腔为V=ΔxΔyΔz的立方体，则沿三个 坐标轴方向传播的波分别应满足的驻波条件为 Δx=mλ/2, Δy=nλ/2, Δz=qλ/2 式中mλq为正整数。而波矢k的三个分量应满足条件 k x=лm/Δx, ky=лn/Δy, kz=лq/Δz (1.1.5) 每一组正整数m,n,q对应腔内一种模式(包含两个偏振)。 如果在以kx ky kz为轴的直角坐标系中，即在波矢 空间中表示光波模,侧每个模对应波矢空间的一点(如图 1.1.1所示)。每一模式在三个坐标铀方向与相邻模的间隔为 Δkx=л/Δx，Δky=л/Δy，Δkz=л/Δy (1.1.6) 因此，每个模式在波矢空间占有一个体积元 ΔkxΔkyΔkz =л3 /（ΔxΔyΔz）=л3 /V (1.1. 7)