激光原理及应用（第4版）

本书是“十二五”普通高等教育本科规划教材、“十三五”江苏省高等学校重点教材和江苏省本科优秀培育教材。主要内容包括：激光发展简史及激光的特性，激光产生的基本原理，光学谐振腔与激光模式，高斯光束，激光工作物质的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制与改善，典型激光器，半导体激光器，光通信系统中的激光器和放大器，激光全息技术，激光与物质的相互作用，以及激光在其他领域的应用。

陈鹤鸣 二级教授，博士生导师。中国工程教育专业认证协会电子信息与电气工程类专业认证委员会委员、核心专家。中国通信学会光通信专业委员会委员、中国光学学会全息与光信息处理专业委员会委员、中国光学学会教育委员会常务委员，江苏省光学学会常务理事。中国通信学会高级会员、中国电子学会高级会员。曾任*高等学校电子信息类专业教学指导委员会委员，南京邮电大学贝尔英才学院院长、光电工程学院院长兼光通信研究所所长、教务处处长、高教所所长，江苏省光通信工程技术研究中心主任。长期从事光通信与光电子技术的教学与科研工作，先后在Optics Express、Optics Letters、Applied Optics、 Electronics Letters、《物理学报》《光学学报》《通信学报》《中国激光》等重要学术刊物上发表论文100余篇，其中被SCI和EI等检索50余篇，出版教材4部、译著1部，获发明专利授权十余项。先后主持或参加、自然科学基金、省部级科研项目和教改项目20余项。曾获“江苏省普通高校优秀青年骨干教师”称号、“邮电部高等院校优秀青年骨干教师”称号、首届“江苏省高等学校教学名师”称号。作为专业负责人的“电子科学与技术专业”被评为国家特色专业建设点、江苏省品牌专业，并于2013年通过了国家工程教育专业认证；作为团队带头人的“光电子系列课程教学团队”获2010年省级优秀教学团队；作为统稿人完成了“电子信息类专业教学质量国家标准”。

目 录



第1章　概述1

1.1　激光发展简史1

1.2　激光的特性3

1.2.1　方向性3

1.2.2　单色性4

1.2.3　相干性5

1.2.4　高亮度6

1.3　激光应用简介7

习题与思考题一11

第2章　激光产生的基本原理12

2.1　原子发光的机理12

2.1.1　原子的结构12

2.1.2　原子的能级13

2.1.3　原子发光的机理13

2.2　自发辐射、受激辐射和受激吸收13

2.2.1　自发辐射14

2.2.2　受激辐射15

2.2.3　受激吸收15

2.2.4　三个爱因斯坦系数之间的关系16

2.3　激光产生的条件17

2.3.1　受激辐射光放大17

2.3.2　集居数反转18

2.3.3　激活粒子的能级系统18

2.3.4　光的自激振荡20

2.4　激光器的基本组成与分类22

2.4.1　激光器的基本组成22

2.4.2　激光介质22

2.4.3　泵浦源22

2.4.4　光学谐振腔23

2.4.5　激光器的分类24

习题与思考题二26

第3章　光学谐振腔与激光模式27

3.1　光学谐振腔的构成和分类27

3.1.1　构成和分类28

3.1.2　典型开放式光学谐振腔29

3.2　激光模式30

3.2.1　驻波与谐振频率30

3.2.2　纵模31

3.2.3　横模33

3.3　光学谐振腔的损耗34

3.3.1　光腔的损耗34

3.3.2　光子在腔内的平均寿命37

3.3.3　无源腔的品质因数—Q值38

3.4　光学谐振腔的稳定性条件38

3.4.1　腔内光线往返传播的矩阵表示39

3.4.2　共轴球面腔的稳定性条件43

3.4.3　临界腔45

3.5　光学谐振腔的衍射理论基础46

3.5.1　自再现模46

3.5.2　菲涅耳—基尔霍夫衍射积分48

3.5.3　自再现模积分方程49

3.5.4　自再现模积分方程解的物理

意义50

3.6　平行平面腔的自再现模51

3.6.1　平行平面镜腔的自再现模积分

方程52

3.6.2　平行平面腔模的数值迭代解法52

3.6.3　单程衍射损耗、单程相移与谐振

频率54

3.7　对称共焦腔的自再现模55

3.7.1　方形镜对称共焦腔56

3.7.2　圆形镜对称共焦腔65

3.8　一般稳定球面腔的模式理论67

3.8.1　一般稳定球面腔与共焦腔的

等价性68

3.8.2　一般稳定球面腔的模式特征69

3.9　非稳定谐振腔71

3.9.1　非稳腔的基本结构71

3.9.2　非稳腔的几何自再现波型73

3.9.3　非稳腔的几何放大率74

3.9.4　非稳腔的能量损耗75

3.9.5　非稳腔的输出耦合方式76

3.9.6　非稳腔的主要特点77

习题与思考题三78

第4章　高斯光束80

4.1　高斯光束的基本性质80

4.1.1　高斯光束80

4.1.2　高斯光束的基本性质82

4.1.3　高斯光束的特征参数83

4.2　高斯光束的传输与变换规律85

4.2.1　高斯光束的传输与变换规律86

4.2.2　实例分析88

4.3　高斯光束的聚焦和准直89

4.3.1　高斯光束的聚焦89

4.3.2　高斯光束的准直91

4.4　高斯光束的自再现变换93

4.4.1　利用薄透镜实现自再现变换94

4.4.2　球面反射镜对高斯光束的

自再现变换94

4.5　高斯光束的匹配95

4.6　激光束质量因子97

习题与思考题四98

第5章　激光工作物质的增益特性101

5.1　谱线加宽与线型函数101

5.1.1　谱线加宽概述101

5.1.2　光谱线加宽的机理102

5.1.3　均匀加宽、非均匀加宽和综合

加宽109

5.2　速率方程111

5.2.1　对自发辐射、受激辐射、受激

吸收概率的修正111

5.2.2　单模振荡速率方程114

5.2.3　多模振荡速率方程116

5.3　均匀加宽激光工作物质对光的增益117

5.3.1　增益系数117

5.3.2　反转集居数饱和119

5.3.3　增益饱和121

5.4　非均匀加宽激光工作物质对光的增益123

5.4.1　增益饱和123

5.4.2　烧孔效应125

习题与思考题五127

第6章　激光器的工作特性131

6.1　连续与脉冲工作方式131

6.1.1　短脉冲运转132

6.1.2　长脉冲和连续运转132

6.2　激光器的振荡阈值133

6.2.1　阈值增益系数133

6.2.2　阈值反转集居数密度134

6.2.3　阈值泵浦功率和能量134

6.3　激光器的振荡模式137

6.3.1　起振纵模数137

6.3.2　均匀加宽激光器的输出模式138

6.3.3　非均匀加宽激光器的输出

模式140

6.4　连续激光器的输出功率141

6.4.1　均匀加宽单模激光器的输出

功率141

6.4.2　非均匀加宽单模激光器的输出

功率142

6.4.3　多模激光器144

6.5　脉冲激光器的工作特性144

6.5.1　短脉冲激光器的输出能量144

6.5.2　弛豫振荡145

习题与思考题六146

第7章　激光特性的控制与改善149

7.1　模式选择149

7.1.1　横模选择149

7.1.2　纵模选择152

7.2　稳频技术154

7.2.1　频率的稳定性155

7.2.2　稳频方法156

7.3　调Q技术160

7.3.1　调Q激光器工作原理161

7.3.2　Q调制方法162

7.3.3　调Q激光器基本理论166

7.4　超短脉冲技术170

7.4.1　锁模原理170

7.4.2　锁模方法173

7.4.3　均匀加宽激光器主动锁模自洽

理论178

7.4.4　阿秒激光的产生与测量180

7.5　激光调制技术182

7.5.1　激光调制的基本概念182

7.5.2　电光调制、声光调制和磁光

调制185

7.5.3　直接调制188

7.6　激光偏转技术189

7.6.1　机械偏转189

7.6.2　电光偏转190

7.6.3　声光偏转191

7.7　光电器件设计及参数选用原则191

7.7.1　电光调制器的设计191

7.7.2　电光调Q激光器的设计192

7.7.3　声光调制器的设计193

习题与思考题七194

第8章　典型激光器197

8.1　固体激光器197

8.1.1　固体激光器的基本结构和泵浦

方式197

8.1.2　红宝石固体激光器199

8.1.3　钕激光器200

8.1.4　掺钛蓝宝石激光器202

8.2　气体激光器203

8.2.1　气体激光器的泵浦方式203

8.2.2　氦氖激光器203

8.2.3　二氧化碳激光器205

8.2.4　氩离子激光器207

8.3　染料激光器208

8.3.1　染料激光器的泵浦方式与基本

结构209

8.3.2　染料激光器的工作原理210

8.4　新型激光器211

8.4.1　准分子激光器211

8.4.2　自由电子激光器212

8.4.3　化学激光器214

8.4.4　声子激光器215

8.4.5　纳米激光器217

8.4.6　生物激光器221

习题与思考题八225

第9章　半导体激光器226

9.1　半导体激光器物理基础227

9.1.1　半导体的能带结构和电子状态227

9.1.2　半导体中载流子的分布与复合

发光229

9.1.3　PN结232

9.1.4　半导体激光材料233

9.2　半导体激光器的工作原理234

9.2.1　半导体激光器受激发光条件234

9.2.2　半导体激光器有源介质的增益

系数236

9.2.3　阈值条件236

9.2.4　半导体激光器的速率方程及其

稳态解237

9.3　半导体激光器有源区对载流子和光子的

限制239

9.3.1　异质结半导体激光器239

9.3.2　量子阱激光器242

9.3.3　光约束因子243

9.4　半导体激光器的谐振腔结构244

9.4.1　FP腔半导体激光器245

9.4.2　分布反馈式半导体激光器与

布拉格反射式半导体激光器245

9.4.3　垂直腔表面发射半导体

激光器249

9.5　半导体激光器的特性251

9.5.1　阈值特性251

9.5.2　半导体激光器的效率与输出

功率252

9.5.3　半导体激光器的输出模式253

9.5.4　动态特性256

习题与思考题九258

第10章　光通信系统中的激光器和放大器260

10.1　半导体激光器在光纤通信中的应用260

10.1.1　作为光纤通信光源的半导体

激光器260

10.1.2　半导体激光器在光纤通信中的

应用与发展262

10.2　光放大器263

10.2.1　半导体光放大器263

10.2.2　光纤放大器265

10.2.3　半导体光放大器和光纤放大器

的比较268

10.3　光纤激光器269

10.3.1　掺杂光纤激光器270

10.3.2　其他类型的光纤激光器273

10.4　光子晶体激光器274

10.4.1　光子晶体274

10.4.2　光子晶体激光器276

10.4.3　光子晶体激光器的应用前景278

10.5　用于无线激光通信的激光器279

10.5.1　无线激光通信279

10.5.2　用于无线激光通信的激光器280

10.6　光通信系统设计与实例281

10.6.1　光纤通信系统的设计281

10.6.2　空间光通信系统设计实例286

习题与思考题十287

第11章　激光全息技术288

11.1　激光全息技术的原理和分类288

11.1.1　激光全息的原理288

11.1.2　全息照相的特点290

11.1.3　激光全息技术的分类291

11.2　白光再现的全息技术292

11.2.1　白光反射全息292

11.2.2　像面全息292

11.2.3　彩虹全息293

11.2.4　真彩色全息295

11.3　几种特殊的全息技术295

11.3.1　计算全息295

11.3.2　数字全息296

11.3.3　合成全息297

11.3.4　激光超声全息299

11.3.5　瞬态全息300

11.4　激光全息技术的应用300

11.4.1　全息显示和全息电影300

11.4.2　全息干涉计量301

11.4.3　全息显微技术303

11.4.4　全息光学元件303

11.4.5　全息技术的其他应用306

习题与思考题十一306

第12章　激光与物质的相互作用307

12.1　激光在物质中的传播307

12.1.1　激光在物质中的传播和吸收307

12.1.2　激光的散射308

12.2　激光在晶体中的非线性光学现象309

12.2.1　倍频