激光器和激光束

近年来国内高校的总课时数均作了较大压缩，激光课的原有课程分工，如激光原理、激光技术和激光应用等，实际上已被老师们合并或按课时作了调整。目前亟需一本将激光科学、技术和应用综合为一体，篇幅符合现在课时要求的教科书。
本书是根据作者三十余年激光原理教学和科研的经历编写而成。在体系上，本书对激光相关课程的内容作了较大调整，保留、同时合并了现有中外各版本教材的激光原理、激光技术和应用，将其融为一体； 并对各部分内容的比例作了较大改变。以便读者可以更高视角、更快的速度了解激光，学习激光，成为激光学方面的行家。
关于激光原理的教材已有多个版本，但写作的视角基本雷同，都是讲激光器由三个元件、一对平行反射镜组成的激光谐振腔和一块(或管，或条，或片)激光发光物质； 讲它们结合成一体、共同作用产生激光束。这些内容组成了现有激光原理教科书的基本章节，大多分为5章。本书保留但简化了这部分内容。同时，从今天的更高视角，对原来教材中概念上的欠缺和遗漏作了补充。比如，原有教科书把激光和普通光源对比，认为激光有三个特性： 高亮度、高方向性和高相干性； 本书则着眼于整个科技体系，把微波加入参比对象，写入激光的高频率特性，不然难以理解为什么激光通信有如此巨大的容量。又如，参比爱因斯坦受激辐射预言，写入了高偏振特性，不然，读者会疑惑： 爱因斯坦所讲的受激辐射的光子与感应光子同偏振为什么在激光特性中没有反应？激光“五性”更符合现实。又如，激光纵模竞争部分多数文献给出的现象与实验不符，本书也作了勘正。再如，几乎没有教科书阐述部分激光器的输出(如氦氖激光器)的偏振方向是正交线性偏振的，常把正交线偏振当成圆偏振。或许这些补充能解答读者一些困惑，精确掌握激光束，方便应用激光束。
本书给激光束特性以更多关注，并写成多个独立章节，所以书名中既有“激光器”也有“激光束”。激光的某一特性一定来源于激光器的某种结构，本书在章节标题上，内容和语言上均强调了这种关系，以提高读者对激光器结构和激光器特性的关联度认知，也便于读者应用这些激光特性。本书不仅可作为激光器学习者的教科书，也可作为对激光束特性有兴趣的科研人员的参考资料。
本书还收入了激光发明的历程，在发明进程中初步给出了激光器的基本结构，以期对培养年轻读者的创新性思维有所帮助。希望创新成为年轻一代自然而然的思维习惯，而不是一种号召和口号。本书还概述了激光各种应用的原理。这些内容均放在了篇，作为入门篇，目的是从“有用”的角度回答为什么学习激光，引发学习后续内容的兴趣，变要我学为我要学。
书中设置了第14章功能激光器,顾名思义，它是激光器，但这种激光器有特殊的功能： 激光器本身就是一种可以测量某物理量的仪器。激光陀螺就是这样的仪器，激光陀螺发明有五十多年了。本书所讲其他功能激光器则是新结构激光器，又是新仪器，不太为人所知，如纳米测尺、光学波片测量仪等。介绍这样的仪器实际上是讲激光原理和激光技术，对更深入掌握激光有所帮助，同时，也是示范理论如何走向实际应用。
  全书分为六篇共16章。篇2章，介绍激光器的概况和激光应用。第二篇2章，介绍光的发射和原子跃迁为基础，然后介绍几种典型激光器。第三篇3章，介绍谐振腔、光与物质粒子（原子、离子、分子）相系作用和激光放大及振荡。第四篇6章，介绍激光束的特性，包括激光束的横模、纵横和单色性、激光器的偏振、激光的频率宽度、激光束的传播、连续激光器的功率和频率稳定性、激光的脉冲特性。第五篇2章，介绍功能激光器和激光器仪器。这里强调“激光器仪器”，不是其他文献里所讲的激光仪器。凡是以激光仪器作光源的仪器都可称为激光仪器，激光器仅有光源的属性，本篇的激光器就是仪器，仪器就是激光器本身，这是一类新颖的激光器，也是一类全新的传感器。第六篇1章，介绍激光综合性实验系统和可观察到的现象。编者相信，做了综合性实验之后，您会感到拥有了对激光知识的自信。

各篇具有一定独立性，读者可以按篇使用，即暂时不需要的章节可以跳过。
本书的部分内容来自作者张书练多年的讲稿，以及其他有关激光的书籍，同时融入了课题组三十年研究激光原理的文章、专利。作者承诺，引入的本课题组的结果都是经过反复试验验证，并通过应用证明的。本书出现的与其他教科书不同的提法、现象，欢迎读者质疑、讨论、批评、指正。作者承诺，随时准备修正书中的概念错误和不准确数据。
写作及定稿中，张书练几次调整大纲思路，编写了前2章和第16章，对全书作了三次总的修改。丁迎春先以张书练讲稿为基础，初写了大部分，又增加了若干内容，完成第3~9章、第11~15章，并检查、修改了全书。谈宜东撰写了2．9节~2.13节、第10章、16．2节，并检查和修改了全书，习题和答案由谈宜东和丁迎春共同完成。

作者
2019年9月

全书分为五篇共16章。*篇是入门篇，2章，是激光器的发明，概况，应用概述。第二篇2章，是光的发射和原子跃迁，典型激光器。第三篇2章，谐振腔，激光放大。第四篇8章，激光束的特性，包括：激光的纵模和单色性，激光的频率宽度，激光束的传播和强度分布，激光的偏振，连续激光器的稳定性，激光的脉冲特性，连续运行激光器的输出功率，激光模的竞争、激光腔长的调谐。第五篇2章，功能激光器，激光振荡与传感。

张书练，清华大学教授，博士生导师。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，光电工程研究所长。SPIE，OSA，COS会员，中国计量测试学会理事、几何量专业委员会副主任，中国宇航学会光电技术专业委员会委员，中国光电专委会副主任，
北京交通大学、浙江理工大学、华南师范大学兼职教授，国防科技大学带教导师。曾是德国卡塞尔大学，法国图卢兹理工客座教授。
作为完成人，获国家技术发明二等奖2项，*自然科学一等奖2项，电子学会发明一等奖1项，获省部级科技进步二等奖3项。2017年被国际测量技术与智能仪器会议（ISMTII17）授予终身贡献奖。
发表论文400余篇（SCI约200篇），70余项发明专利权。已经出版英文专著一部（作者），出版中文专著一部（作者）。

篇激 光 概 况

第1章激光器概况

1.1激光的发明过程

1.1.1激光发明的理论与技术基础

1.1.2激光原理与激光器结构的产生

1.1.3激光发明史的启发

1.2激光器种类

1.2.1固体激光器

1.2.2气体激光器

1.2.3半导体激光器

1.2.4染料激光器

1.2.5化学激光器

1.3激光束的五个特性

1.4以激光为基础的其他学科

1.4.1光纤光学和导波光学

1.4.2非线性光学

第2章激光应用概述

2.1激光通信

2.2激光存储： 光盘

2.3激光脉冲测距

2.4激光生物医学工程

2.5激光原子冷冻

2.6激光产生光学频率梳

2.7光钟

2.8激光制导技术

2.8.1引言

2.8.2激光雷达

2.8.3激光目标指示器

2.9激光干涉仪

2.9.1增量式和式激光干涉仪

2.9.2单频和双频激光干涉仪

2.10激光加工

2.11光镊

2.12激光手术刀

2.13激光陀螺与光纤陀螺

2.14激光显示

2.15激光全息

第二篇典型激光器

第3章激光形成的物理基础： 粒子的光吸收和光辐射

3.1光的波粒二象性

3.1.1光波模式

3.1.2光(量)子态

3.2光子与粒子之间的相互作用

3.2.1粒子的结构和能级

3.2.2自发辐射的特点

3.2.3自发辐射系数与自发辐射跃迁平均寿命

3.2.4受激跃迁的特点

3.2.5受激跃迁几率和受激跃迁系数

3.2.6爱因斯坦三系数间的关系

3.2.7跃迁几率按频率的分布

3.2.8自发辐射和受激辐射的强度关系

3.2.9玻尔兹曼分布

第4章典型激光器

4.1红宝石及其他固体激光器

4.1.1红宝石激光器结构

4.1.2工作过程

4.1.3氙灯泵浦的其他固体激光器

4.1.4红宝石激光器输出光的特性

4.1.5其他固体激光器

4.1.6形成激光振荡的基本要素

4.2氦氖激光器

4.2.1HeNe激光器的结构

4.2.2HeNe激光器放电通路、工作电压和电流

4.2.3HeNe激光器0.6328μm波长激光激发机理

4.2.4激光产生的过程

4.2.5影响激光功率的因素

4.2.6HeNe激光器输出特性

4.3半导体激光器

4.3.1早期半导体激光器的基本结构

4.3.2GaAs半导体材料的能级(带)和pn结

4.3.3半导体激光器的工作过程

4.3.4半导体激光形成的条件

4.3.5双异质结半导体激光器

4.3.6半导体激光器的光波长

4.3.7激光二极管阵列

4.3.8分布反馈式半导体激光器

4.4二氧化碳激光器

4.4.1CO2激光器的基本结构

4.4.2CO2的能级及激发过程

4.4.3其他类型的CO2激光器

4.5光纤激光器

4.6二极管泵浦的Nd∶YAG固体激光器

4.6.1Nd∶YAG激光器的能级

4.6.2激光二极管泵浦的固体激光器的结构

4.7其他气体和离子激光器

4.7.1氩离子激光器

4.7.2氮气分子激光器

4.7.3氦镉激光器

4.7.4准分子激光器

4.8X射线激光器

4.8.1原子布居数反转过程

4.8.2等离子体条件

4.8.3台面X射线激光器

4.8.4用飞秒激光产生X射线

4.9特殊类型激光器

4.9.1自由电子激光器

4.9.2化学激光器

4.9.3量子点激光器和微腔激光器

第三篇形成激光振荡的基本单元： 光学谐振腔和激光介质

第5章光学谐振腔

5.1激光谐振腔的分类

5.2谐振腔的稳定性条件

5.3谐振空腔的谐振频率

5.4谐振空腔的线宽

第6章激光介质： 光与物质的相互作用

6.1激光介质和光子： 光与物质的相互作用

6.1.1光谱线、线型函数和宽度

6.1.2自然展宽

6.1.3碰撞展宽

6.1.4多普勒展宽

6.1.5均匀展宽和非均匀展宽

6.1.6光谱线的综合展宽

6.2光在介质中的增益

6.2.1增益系数的定义

6.2.2非均匀展宽(多普勒展宽)介质的增益系数表达式

6.2.3均匀展宽介质的增益系数表达式

6.2.4对增益系数的讨论

6.3速率方程及其稳态小信号解

6.3.1激光速率方程

6.3.2稳态小信号情况下的反转粒子布居数ΔN

6.3.3速率方程与激光器中的弛豫振荡现象

6.4激光介质中的反转粒子数饱和及增益饱和

6.4.1问题的提出

6.4.2均匀展宽介质的ΔN饱和与G饱和

6.4.3非均匀展宽介质反转粒子数饱和与增益饱和

6.4.4综合展宽工作物质的ΔN饱和与G饱和

第7章激光振荡增益，损耗和放大

7.1激光器的增益和损耗

7.1.1激光器的损耗和阈值条件

7.1.2连续运转激光器的稳态增益

7.2激光放大器

第四篇激光束特性

第8章激光束的横模及传播

8.1激光腔的横模与激光束的高亮度

8.1.1激光束的横向场分布： 横模

8.1.2横模频率

8.1.3光束质量的评价M2因子

8.1.4激光的高亮度和横模选择

8.2激光束的传播特性： 高斯光束

8.2.1高斯光束的一般特性

8.2.2光学谐振腔中的高斯光束

8.2.3高斯光束经过薄透镜时的变换——聚焦和准直

8.3激光束的方向性

第9章激光纵模和单色性

9.1激光谐振腔和单色性

9.2激光腔纵模

9.2.1空腔谐振条件

9.2.2空腔谐振频率及间隔

9.2.3空腔频率宽度

9.2.4形成激光振荡的频率需要满足的三个条件

9.2.5激光纵模

9.2.6激光振荡频率宽度

9.2.7激光频率漂移

9.2.8多纵模激光的谱宽

9.2.9纵模选择技术

9.2.10讨论： 激光器对介质光谱线选择及激光束单色性

9.3激光器的频率牵引

9.3.1频率牵引效应的描述

9.3.2频率牵引效应的物理解释

第10章激光器偏振

10．1各向同性腔

10．2激光腔内的布儒斯特窗形成线偏振激光束

10.3激光腔偏振损耗的各向异性形成激光束线偏振

10.4由塞曼效应产生线偏振光或圆偏振光

10．5双折射腔形成正交线偏振模

第11章激光器的模竞争与激光光强调谐

11．1激光器的纵模竞争

11．1．1均匀展宽介质激光器的模竞争

11．1．2综合展宽介质激光器的模竞争

11．2激光器的光强调谐特性

11．2．1观察激光器光强（功率）调谐曲线的装置

11．2．2均匀展宽介质激光器的光强调谐曲线

11．2．3综合展宽介质激光器输出光强度的调谐特性

11．3双折射双频激光器的模竞争和光强调谐特性

11.3.1激光纵模（频率）的竞争： 纵模间隔小于出光带宽

11．3．2纵模间隔大于出光带宽

11．3．3腔内晶体石英片旋转产生频率分裂时的模竞争

11．4固体Nd∶YAG激光器的模竞争

第12章连续激光器的功率和频率稳定性

12．1激光器的功率稳定性

12．2激光器的频率稳定性

12．2．1导致激光频率不稳定的因素

12．2．2被动稳频

12．2．3主动稳频

12.3从介质宽光谱到高稳定、窄线宽的激光束

第13章激光的脉冲特性

13．1激光脉冲器

13．1．1激光弛豫振荡

13．1．2脉冲激光器的时间特性

13．1．3脉冲激光器的峰值功率和能量

13．1．4脉冲激光器的空间能量分布： M2

13．2Q调制脉冲激光器

13．2．1电光Q开关激光器

13．2．2声光Q开关激光器

13．2．3可饱和吸收材料Q开关激光器

13．3锁模与超短脉冲激光器

13．3．1激光器纵模的相位

13．3．2锁模的基本原理

13．3．3锁模的方法

13．3．4锁模激光器的结构

13．3．5几种典型的锁模激光器

13.3.6飞秒激光器

第五篇功能激光器和激光器仪器

第14章功能激光器

14．1塞曼双频激光器

14．1．1塞曼效应

14．1．2模牵引效应

14．1．3纵向塞曼双频激光器

14．1．4横向塞曼双频激光器

14．2双折射双频激光器

14．2．1石英晶体双折射双频激光器

14．2．2应力双折射双频激光器

14．3双折射塞曼双频激光器

14．4倍频激光器

14．4．1倍频效应

14．4．2相位匹配

14．4．3倍频激光器的基本结构

14．5带外回馈镜的激光器

14．5．1激光器的光回馈效应

14．5．2正交偏振激光器的光回馈效应

第15章基于激光振荡的传感和测量仪器

15．1基于激光腔调谐的位移测量技术

15．2环形激光原理

15．2．1环形激光器的谐振腔和谐振条件

15．2．2二频环形激光陀螺

15．2．3四频环形激光陀螺

15．2．4用四频环形激光陀螺测量弱磁场

15．3双折射和光学材料内应力测量

15．3．1频率分裂法测量双折射和内应力

15．3．2激光内干涉测量双折射和内应力

15．4微片激光内干涉长度测量技术

第六篇激光原理及激光束的基本实验

第16章实验系统和实验内容

16．1横模实验系统

16．1．1导语

16．1．2猫眼逆向器

16．1．3以猫眼作激光谐振腔镜及其横模变换

16．1．4猫眼谐振腔横模实验系统

16．1．5不同阶横模图样的观察

16．1．6横模的偏振态 

16．2激光纵模频率观察

16．2．1导语

16．2．2激光扫描干涉仪和激光纵模观察

16．2．3用扫描干涉仪观察纵模和测量纵模间隔

16．2．4激光模式偏振态的观察

16．2．5激光器腔长调谐和激光纵模(频率)强度的改变

16．2．6在谐振腔长改变的过程中出光带宽的计算

16．3激光器的纵模(频率)分裂观察系统

16．3．1导语

16．3．2激光腔内的应力双折射元件引入的激光频率分裂实验

16．3．3激光腔内的石英晶体元件引入的激光频率分裂实验

16．3．4频率分裂模式偏振态的观察

16．4激光器的纵模(频率)竞争

16．4．1导语

16．4．2模竞争实验系统

16．4．3模竞争现象的观察

16．4．4频率分裂激光器模竞争引入的偏振交替改变

16．5激光回馈实验

16．5．1激光回馈

16．5．2实验装置和现象

16．6实施多项激光原理实验的综合系统

参考文献

习题和答案

全书分为五篇共16章。*篇是入门篇，2章，是激光器的发明，概况，应用概述。第二篇2章，是光的发射和原子跃迁，典型激光器。第三篇2章，谐振腔，激光放大。第四篇8章，激光束的特性，包括：激光的纵模和单色性，激光的频率宽度，激光束的传播和强度分布，激光的偏振，连续激光器的稳定性，激光的脉冲特性，连续运行激光器的输出功率，激光模的竞争、激光腔长的调谐。第五篇2章，功能激光器，激光振荡与传感。

张书练，清华大学教授，博士生导师。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室