激光原理

《"十二五"普通高等教育本科国家级规划教材:激光原理(第7版)》可作为高等院校激光原理课程的教材或参考书，也可供从事光电子技术工作的研究人员、技术人员以及高等院校有关专业的师生参考。

《"十二五"普通高等教育本科国家级规划教材:激光原理(第7版)》主要阐述激光的产生、特性控制与改善的基本原理和理论。包括激光器的光谐振腔理论、速率方程理论；对典型激光器、激光放大器与控制激光器特性的若干技术原理也作了简要介绍。

绪言
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
习题
参考文献
第二章开放式光谐振腔与高斯光束
2.1光腔理论的一般问题
2.2共轴球面腔的稳定性条件
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方形镜共焦腔的自再现模
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的模式特征
2.9高斯光束的基本性质及q参数
2.10高斯光束q参数的变换规律
2.11高斯光束的聚焦和准直
2.12高斯光束的自再现变换与稳定球面腔
2.13光束衍射倍率因子
2.14非稳腔的几何自再现波型
2.15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
3.1光和物质相互作用的经典理论简介
3.2谱线加宽和线型函数
3.3典型激光器速率方程
3.4均匀加宽工作物质的增益系数
3.5非均匀加宽工作物质的增益系数
3.6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
4.1激光器的振荡阈值
4.2激光器的振荡模式
4.3输出功率与能量
4.4弛豫振荡
4.5单模激光器的线宽极限
4.6激光器的频率牵引
习题
参考文献
第五章激光放大特性
5.1激光放大器的分类
5.2均匀激励连续激光放大器的增益特性
5.3纵向光激励连续激光放大器的增益特性
5.4脉冲激光放大器的增益特性
5.5放大的自发辐射（ASE）
习题
参考文献
第六章激光特性的控制
6.1调制器和隔离器
6.2模式选择
6.3频率稳定
6.4Q调制
6.5锁模
6.6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
7.1固体激光器
7.2气体激光器
7.3染料激光器
7.4光纤放大器
7.5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
8.1半导体工作物质中的光增益
8.2半导体激光器的基本结构
8.3对称三层介质平板波导中的本征模
8.4光强分布与约束因子
8.5半导体激光器的主要特性
8.6几种新型半导体激光器
8.7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
附录二典型周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

    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，就可以专享地确定模的上述特征。