激光原理(第7版)

《激光原理》系列图书：
《》（第6版）
《》

《》（第7版）
《》（第2版）

1～4版印刷约10万册，2004出版的5版重印5次，印数达25000册，2009年出版的6版已印4次，印数已达21000册
本书于1980年出版的**版填补了国内空白。在以后的三十余年中，一直受到高校相关专业及科研单位相关领域研究人员的好评与关注, 已成为国内同行公认的名优教材。曾被清华大学、天津大学、哈尔滨工业大学、东南大学、电子科技大学、西安电子科技大学、国防科技大学、厦门大学、深圳大学，曲阜师范大学、中国科技大学研究生院、北京交通大学、南开大学—-等高校的相关专业采用为本科生、研究生教材或参考书，并被指定为全国相关专业自学硕士生考试的参考书。有的学校虽已自编教材，但仍将此书指定为考研书目和参考书。某些学校的自编教材中，也不乏取材于本书的痕迹。由互联网上的“周炳琨激光原理”条目的不完全统计，使用此书的学校或科研单位多达62家以上。该书还被各校博士生论文及公开发表的论文多次引用。上述情况表明，本书取得了较好的社会效益。
“激光原理”教材于1987年获电子工业部优秀教材特等奖；1988年获**届全国高校优秀教材奖；2001年获北京市教育教学成果（高等教育）一等奖；
编写“激光原理”教材的周炳琨、高以智于1993年因“光电子系列课程建设”获北京市教育教学成果（高等教育）一等奖；于1997年因“《物理电子学与光电子学》重点学科建设” 获北京市教育教学成果（高等教育）一等奖；

 

(1)着重基本物理过程和主要理论分析方法的论述，利于学生打好基础；(2)破除激光原理和激光器件、激光技术相割裂的旧体系，创建三者相结合,理论联系实际的新体系；(3)全书围绕电磁场和激光工作物质相互作用及光谐振腔两条主线，使其在激光振荡和放大特性中汇合，脉络清晰，内容循序渐进，便于自学。注意说明各种概念和方法中的联系与区别，
力求揭示各种现象及处理方法的本质；(4)每次修订时删去陈旧的内容，紧跟光电子技术的发展，适时引入新内容，如半导体激光器和放大器、半导体激光器的波导谐振腔、光纤放大器和激光器、半导体激光器泵浦的固体激光器、注入锁定、光束衍射倍率因子等。其中有些内容在国内外同类书籍中尚无反映；(5)附有收集及自编的大量习题；(6)2007年出版了配套教材“激光原理学习指导”，受到各校师生的欢迎。

目录

绪言

第一章激光的基本原理

11相干性的光子描述

12光的受激辐射基本概念

13光的受激辐射放大

14光的自激振荡

15激光的特性

习题

参考文献

第二章开放式光谐振腔与高斯光束

21光腔理论的一般问题

22共轴球面腔的稳定性条件

23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

25方形镜共焦腔的自再现模

26方形镜共焦腔的行波场

27圆形镜共焦腔

28一般稳定球面腔的模式特征

29高斯光束的基本性质及q参数

210高斯光束q参数的变换规律

211高斯光束的聚焦和准直

212高斯光束的自再现变换与稳定球面腔

213光束衍射倍率因子

214非稳腔的几何自再现波型

215非稳腔的几何放大率及自再现波型的能量损耗

习题

参考文献

第三章电磁场和物质的共振相互作用

31光和物质相互作用的经典理论简介

32谱线加宽和线型函数

33典型激光器速率方程

34均匀加宽工作物质的增益系数

35非均匀加宽工作物质的增益系数

36综合加宽工作物质的增益系数

习题

参考文献

第四章激光振荡特性

41激光器的振荡阈值

42激光器的振荡模式

43输出功率与能量

44弛豫振荡

45单模激光器的线宽极限

46激光器的频率牵引

习题

参考文献

第五章激光放大特性

51激光放大器的分类

52均匀激励连续激光放大器的增益特性

53纵向光激励连续激光放大器的增益特性

54脉冲激光放大器的增益特性

55放大的自发辐射(ASE)

习题

参考文献

第六章激光特性的控制

61调制器和隔离器

62模式选择

63频率稳定

64Q调制

65锁模

66激光的非线性频率变换

习题

参考文献

第七章典型激光器和激光放大器

71固体激光器

72气体激光器

73染料激光器

74光纤放大器

75光纤激光器

习题

参考文献

第八章半导体激光器和激光放大器

81半导体工作物质中的光增益

82半导体激光器的基本结构

83对称三层介质平板波导中的本征模

84光强分布与约束因子

85半导体激光器的主要特性

86几种新型半导体激光器

87半导体光放大器的主要特性

习题

参考文献

附录

附录一典型气体激光器基本实验数据

附录二典型固体激光工作物质参数

附录三染料、溶剂及激光波长

附录四常用物理常数

附录五光放大器的噪声

附录六均匀加宽激光器主动锁模自洽理论

附录七主要符号表

前言

本书为“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材，并由清华大学“985三期”名优教材建设项目资助，是在1980年、1984年、1995年、2000年、2004年出版的全国电子信息类专业教材和2009年普通高等教育“十一五”国家级规划教材《激光原理》第1~6版的基础上，根据相关科技的发展和相关学科课程体系的变革修改而成。

本次修订的目的是：紧跟光电子技术和适应教学改革的发展，删去陈旧、过深及次要的内容；引入近期发展的新内容；进一步加强与激光特性控制原理有关的内容（即进一步加强原理、技术、器件紧密结合的体系）。

主要修改点为：

（1） 鉴于空心波导腔仅用于CO2激光器，各校教学一般不讲此章，仅对科研人员有参考价值；目前波导CO2激光器已趋成熟，研究单位也相应减少。所以第7版中删去第6版第三章“空心介质波导腔”，并修改其他各章中与此章相关的内容。

（2） 删去近年来本科生教学中因过深已基本不用的原第八章（激光振荡的半经典理论），并修改各章相关内容。

（3） 鉴于近年来光电子有关专业已不可能采取激光原理、激光技术并列的教学体系，所以在激光特性的控制一章中增加激光的调制、偏转、隔离和频率变换等相关内容。

（4） 根据少而精的原则，对原书光谐振腔部分（第二章）过于详细重复的叙述和过深的内容作适当删减。

（5） 紧跟光电子技术的发展，对《激光原理》第6版中有关半导体激光器等内容作适当修改，使本教材能与时俱进。

（6） 适当调整书中所附习题。

（7） 根据教学需要增加“光放大器的噪声”与“均匀加宽激光器主动锁模自洽理论”两个附录。

本书讲授激光的产生、特性及特性控制的原理。

全书分为4部分。第一部分（第一章）概述激光器的基本原理。第二部分（第二章）讲述光谐振腔理论，重点介绍光谐振腔模式的波动理论，并在此基础上介绍高斯光束的传输规律，在分析非稳腔模时，仅介绍非稳腔的几何光学理论分析方法。第三部分（第三章、第四章、第五章）讲授激光振荡和放大理论。光和物质的共振相互作用是激光振荡和放大的物理基础，因此这一部分的重点放在阐明光和物质共振相互作用的基本物理过程和理论分析方法上。在激光器的各种理论分析方法中，本书主要介绍简单、实用的速率方程理论，并在此基础上分析激光器和放大器的工作特性。第四部分（第六章）讲述激光特性控制的原理，但不涉及具体技术和设计。第五部分（第七章、第八章）介绍几种有代表性的典型激光器和放大器的工作原理和特点；在第八章中，结合半导体激光器介绍了介质波导腔的模式理论。每章末均附有习题，供学生练习选用。

本书的教学重点为第一章、第二章、第三章、第四章、第五章和第六章。国防工业出版社出版的《激光原理学习指导》第2版为本书的配套参考书，本版新增了《〈激光原理〉教案演示文稿》，可供授课教师参考（课件由国防工业出版社发行）。

本书第一章由周炳琨编写；第二章由高以智、陈家骅在第1版陈倜嵘编写的书稿上进行缩编和补充；第三章由周炳琨和高以智编写；第四章、第五章、第七章及附录由高以智编写；第六章由高以智和霍力编写；第八章由陈倜嵘、陈家骅、高以智和周炳琨联合编写。由于编者水平有限，书中难免还存在一些缺点和错误，殷切希望广大读者批评指正。

　　在激光技术发展历史上最早提出的是平行平面腔，它由两块平行平面反射镜组成。这种装置在光学上称为法布里一珀罗干涉仪，简记为F—P腔。随着激光技术的发展。以后又广泛采用由两块具有公共轴线的球面镜构成的谐振腔，称为共轴球面腔；其中一个反射镜为（或两个都为）平面的腔是这类腔的特例。从理论上分析这类腔时，通常认为其侧面没有光学边界（这是一种理想化的处理方法），因此将这类谐振腔称为开放式光学谐振腔，或简称开腔。根据腔内傍轴光线几何偏折损耗的高低，开腔又可分为稳定腔、非稳腔和临界腔。气体激光器是采用开腔的典型例子。
　　由两个以上的反射镜可构成折叠腔或环形腔。在由两个或多个反射镜构成的开腔内插入透镜等光学元件将构成复合腔。在两镜腔或折叠腔中，往返传播的两束光有固有的相位关系，遂因十涉而形成驻波，因而称作驻波腔。在环形腔中，顺时针与反时针传输的光因互相独立而不能形成驻波，当插入光隔离器时只存在单方向传输的光，所以称作行波腔。
　　另一类光谐振腔为波导谐振腔。半导体激光器采用介质波导腔，其光传输区（有源区）的横向尺寸与波长可比拟，由于有源区的折射率高于包围区，有源区内的近轴光线将在侧壁发生全内反射，并由波导端面的解理面形成端面反馈，或由生成的光栅形成分布反馈。光纤激光器的光谐振腔也属介质波导腔，尺寸与波长可比拟的纤芯折射率高于包层。气体波导激光器则采用空心介质波导腔，其典型结构是在一段空心介质波导管两端适当位置处放置两块适当曲率的反射镜片。这样，在空心介质波导管内，场服从波导管中的传输规律；而在波导管与腔镜之间的空间中，场按与开腔中类似的规律传播。在波导谐振腔中，不能忽略侧面边界的影响。
　　本章只讨论由两个球面镜构成的开放式光学谐振腔，因为这类腔是最简单和最常用的。折叠腔、环形腔、复合腔等比较复杂的开腔往往可以利用本章的某些结果或方法来处理。在第八章中将对半导体激光器的介质波导腔予以讨论。
　　二、模的概念——腔与模的一般联系
　　无论是闭腔或是开腔，都将对腔内的电磁场施以一定的约束。一切被约束在空间有限范围内的电磁场都只能存在于一系列分立的本征状态之中，场的每一个本征态将具有一定的振荡频率和一定的空间分布。通常将光学谐振腔内可能存在的电磁场的本征态称为腔的模式。从光子的观点来看，激光模式也就是腔内可能区分的光子的状态。
　　腔内电磁场的本征态应由麦克斯韦方程组及腔的边界条件决定。由于不同类型和结构的谐振腔的边界条件各不相同，因此谐振腔的模式也各不相同。对波导腔，一般可以通过直接求解微分形式的麦克斯韦方程组来决定其模式；而寻求开腔模式的问题则通常从波动光学的衍射理论出发，归结为求解一定类型的积分方程。但不管是闭腔还是开腔。一旦给定了腔的具体结构，则其振荡模式的特征也就随之确定下来，这就是腔与模的一般联系。因此，光学谐振腔理论也就是激光模式理论。其目的是揭示激光模式的基本特征及其与腔的结构之间的依赖关系。所谓模的基本特征，指的是：每一个模的电磁场分布、谐振频率、在腔内往返一次经受的相对功率损耗、与对应的激光束的发散角。只要知道了腔的参数，就可以唯一地确定模的上述特征。

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