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第一篇 气体激光器2

第一章 气体激光器的放电激励基础2

1.1 气体放电的基本过程2

1.1.1 气体放电粒子的种类及其相互作用2

1.1.2 气体放电的基本参量5

1.1.3 气体放电的形式9

1.2 气体放电中的选择激发过程12

1.2.1 共振激发能量转移12

1.2.2 电荷转移13

1.2.3 潘宁效应14

1.2.4 电子碰撞14

1.3 气体激光器的其他激励方式14

1.3.1 电子束激励15

1.3.2 光激励15

1.3.3 热激励15

1.3.4 化学能激励15

1.3.5 核能激励16

练习与思考题16

第二章 原子气体激光器17

2.1 氦氖激光器的工作原理17

2.1.1 氦氖激光器的基本结构17

2.1.2 氦氖原子的能级结构19

2.1.3 粒子数反转分布的建立过程21

2.2 氦氖激光器的工作特性24

2.2.1 氦氖激光器速率方程组24

2.2.2 增益与放电条件的关系25

2.2.3 增益曲线和增益饱和28

2.3 氦氖激光器的输出特性30

2.3.1 氦氖激光器的输出功率30

2.3.2 氦氖激光束的发散角35

2.3.3 氦氖激光的偏振特性35

2.3.4 氦氖激光的频率特性36

2.4 氦氖激光器的设计39

2.4.1 放电管长度和谐振腔长度40

2.4.2 反射镜曲率半径40

2.4.3 放电管内径42

2.4.4 最佳透过率42

2.4.5 设计举例43

2.5 其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器43

2.5.1 其他形式的氦氖激光器44

2.5.2 其他惰性气体原子激光器46

2.6 金属蒸气原子激光器47

2.6.1 自终止跃迁激光器47

2.6.2 铜蒸气原子激光器48

2.6.3 其他金属蒸气原子激光器53

练习与思考题56

第三章 分子气体激光器58

3.1 普通型二氧化碳分子激光器的激励机理58

3.1.1 二氧化碳分子能级结构58

3.1.2 粒子数反转分布的建立61

3.2 普通型二氧化碳分子激光器的工作特性66

3.2.1 普通型二氧化碳分子激光器的结构67

3.2.2 普通型二氧化碳分子激光器的工作特性68

3.2.3 辅助气体72

3.3 普通型二氧化碳分子激光器的输出特性73

3.3.1 输出功率73

3.3.2 频谱特性77

3.3.3 选支原理81

3.4 中小型二氧化碳分子激光器的设计85

3.4.1 放电管长度和腔长85

3.4.2 腔镜曲率半径85

3.4.3 放电管直径85

3.4.4 输出镜最佳透过率Topt85

3.4.5 估计功率P86

3.5 流动型二氧化碳分子激光器86

3.5.1 流动型二氧化碳分子激光器的工作特性86

3.5.2 流动型二氧化碳分子激光器的分类87

3.6 横向激励高气压型二氧化碳分子激光器89

3.6.1 TEACO2分子激光器的特点89

3.6.2 TEACO2分子激光器的工作特性90

3.6.3 高气压均匀辉光放电技术94

3.6.4 紫外预电离TEACO2分子激光器95

3.7 气动型二氧化碳分子激光器96

3.7.1 气动CO2分子激光器的工作原理96

3.7.2 气动CO2分子激光器的结构97

3.7.3 气动CO2分子激光器的工作特性99

3.8 准分子激光器101

3.8.1 准分子概念及其能级结构101

3.8.2 XeF＊激光器的工作原理102

3.8.3 快放电激励XeF准分子激光器104

3.8.4 电子束激励XeF准分子激光器105

3.9 光泵远红外分子激光器106

3.9.1 光泵浦概念107

3.9.2 光泵远红外分子激光器基本原理107

3.9.3 谐振腔构型108

3.10 氮分子激光器110

3.10.1 氮分子激光器激发机理110

3.10.2 氮分子激光器的激励电路112

3.10.3 氮分子激光器的输出特性113

练习与思考题116

第四章 气体离子激光器118

4.1 氩离子激光器118

4.1.1 氩离子的能级结构和激发机理118

4.1.2 氩离子激光器的结构120

4.1.3 氩离子激光器的工作特性122

4.2 氦-镉离子激光器125

4.2.1 镉离子的能级结构和激发126

4.2.2 氦-镉离子激光器的结构127

4.2.3 氦-镉离子激光器的工作特性128

4.3 其他金属蒸气离子激光器130

4.3.1 砷金属蒸气离子激光器130

4.3.2 氩-氪离子激光器131

4.3.3 氪离子激光器131

4.3.4 氦-镉-汞离子激光器131

4.3.5 氦-铅离子激光器131

练习思考题132

第二篇 固体激光器134

第五章 固体激光器的基本特性134

5.1 固体激光器的基本原理134

5.1.1 固体激光器的基本结构134

5.1.2 固体激光器的能量转换135

5.2 固体激光器的基本特性136

5.2.1 固体激光器的阈值136

5.2.2 固体激光器的增益饱和和饱和光强137

5.2.3 固体激光器的弛豫振荡137

5.2.4 固体激光器的输出光束质量139

5.2.5 固体激光器的光谱特性139

5.2.6 固体激光器的偏振特性140

练习与思考题140

第六章 固体激光器工作物质的性质141

6.1 固体激光器对工作物质的基本要求141

6.1.1 基质材料141

6.1.2 激活离子143

6.2 红宝石晶体144

6.2.1 红宝石晶体的物理性质144

6.2.2 红宝石晶体的激光性质145

6.3 掺钕钇铝石榴石晶体和钕玻璃147

6.3.1 掺钕钇铝石榴石晶体的物理性质147

6.3.2 掺钕钇铝石榴石晶体的激光性质148

6.4 钕玻璃150

6.4.1 钕玻璃的物理性质150

6.4.2 钕玻璃的激光性质150

6.5 其他固体激光器的工作物质152

6.5.1 激光陶瓷152

6.5.2 掺铒钇铝石榴石晶体155

6.5.3 掺钬钇铝石榴石晶体155

6.5.4 掺钕铝酸钇晶体156

6.5.5 掺钛蓝宝石晶体157

练习与思考题159

第七章 固体激光器的光泵浦系统160

7.1 泵浦光源160

7.1.1 惰性气体放电灯160

7.1.2 卤钨灯163

7.1.3 激光二极管163

7.1.4 太阳光164

7.2 聚光腔164

7.2.1 泵浦方式与聚光腔结构164

7.2.2 聚光腔的能量传输特性167

7.3 泵浦光源的供电系统167

7.3.1 脉冲氙灯的供电系统167

7.3.2 连续氪弧光灯的供电系统172

练习与思考题173

第八章 固体激光器的热效应及补偿174

8.1 固体激光工作物质的热效应174

8.1.1 连续固体激光器的热效应174

8.1.2 单脉冲固体激光器的热效应178

8.1.3 重复率脉冲固体激光器的热效应178

8.2 固体激光器的散热179

8.2.1 冷却技术179

8.2.2 光学补偿方法181

8.2.3 采用非圆柱形工作物质181

练习与思考题182

第九章 固体激光器谐振腔183

9.1 光学谐振腔的模参数183

9.1.1 谐振腔的变换矩阵183

9.1.2 谐振腔的稳定性条件184

9.2 类透镜介质对激光束的变换184

9.2.1 类透镜介质184

9.2.2 类透镜介质对激光束的变换矩阵185

9.3 热稳腔187

9.3.1 热稳条件187

9.3.2 几种典型的热稳腔189

练习与思考题192

第三篇 半导体激光器194

第十章 半导体激光器的工作原理194

10.1 半导体物理基础194

10.1.1 半导体的能带结构194

10.1.2 电子在能带之间的跃迁196

10.1.3 辐射复合与非辐射复合197

10.1.4 PN结的能带结构200

10.2 半导体激光器的工作原理203

10.2.1 半导体激光器的粒子数反转分布条件204

10.2.2 半导体激光器有源介质的增益系数205

10.2.3 阈值增益207

10.2.4 光子反馈方式207

练习与思考题208

第十一章 半导体激光器的基本构型209

11.1 异质结激光器209

11.1.1 异质结的构型和主要性质210

11.1.2 单异质结激光器214

11.1.3 双异质结激光器216

11.1.4 条形结激光器218

11.2 量子阱激光器219

11.2.1 量子阱220

11.2.2 量子阱激光器221

11.2.3 应变量子阱激光器223

11.3 其他结构的半导体激光器224

11.3.1 分布反馈和分布布拉格反射半导体激光器225

11.3.2 垂直腔表面发射激光器226

11.3.3 微碟半导体激光器227

练习与思考题228

第十二章 半导体激光器的输出特性229

12.1 半导体激光器的转换效率229

12.1.1 功率效率229

12.1.2 量子效率230

12.2 半导体激光器的空间模式231

12.2.1 垂直方向发散角231

12.2.2 平行方向发散角232

12.2.3 半导体激光器的像散233

12.3 半导体激光器的纵模234

12.3.1 纵模模谱234

12.3.2 影响纵模谱的因素235

12.3.3 纵模与横模之间的关系237

12.3.4 LD的光谱线宽237

12.4 半导体激光器的动态特性239

12.4.1 速率方程239

12.4.2 接通延迟和弛豫振荡240

12.4.3 调制特性241

12.4.4 噪声特性242

练习与思考题243

第四篇 其他激光器246

第十三章 液体激光器246

13.1 有机染料分子的光吸收和光发射246

13.1.1 染料分子的能级结构246

13.1.2 染料分子的光吸收和光发射249

13.2 脉冲染料激光器249

13.2.1 粒子数反转分布的建立250

13.2.2 脉冲激光泵浦染料激光器251

13.3 连续染料激光器255

13.3.1 染料激光器连续工作条件255

13.3.2 连续染料激光器的阈值泵浦功率密度255

13.3.3 典型的连续波染料激光器256

13.4 无机液体激光器258

13.4.1 激光机理259

13.4.2 无机液体激光器的结构和特性259

练习与思考题260

第十四章 化学激光器261

14.1 化学激光器的工作原理261

14.1.1 化学激光器的特点261

14.1.2 化学激光器的激发机理262

14.2 氟化氢化学激光器263

14.2.1 粒子数反转分布机理264

14.2.2 连续波氟化氢化学激光器的结构和特性265

14.2.3 脉冲氟化氢化学激光器的结构和特性268

14.3 氧碘化学激光器269

14.3.1 氧碘化学激光器的激光跃迁及工作原理269

14.3.2 氧碘化学激光器的结构和特性269

14.3.3 化学氧碘激光器的发展273

练习与思考题274

第十五章 自由电子激光器275

15.1 自由电子激光器的工作原理275

15.1.1 自由电子激光器的结构275

15.1.2 自由电子光辐射的产生277

15.1.3 自由电子激光的产生280

15.2 自由电子激光器的主要类型281

15.2.1 磁韧致自由电子激光器281

15.2.2 史密斯-珀塞尔自由电子激光器283

15.2.3 受激喇曼自由电子激光器284

练习与思考题285

第十六章 光纤激光器286

16.1 光纤激光器的工作原理286

16.1.1 光纤激光器的激光过程286

16.1.2 光纤激光器的谐振腔287

16.2 光纤激光器的类型289

16.2.1 掺稀土元素光纤激光器289

16.2.2 单晶光纤激光器290

16.2.3 塑料光纤激光器290

16.2.4 光纤喇曼激光器291

练习与思考题291

参考文献292