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出版者:

作者:Milonni, Peter W./ Eberly, Joseph H.

出品人:

页数:844

译者:

出版时间:2010-3

价格:1120.00

装帧:

isbn号码:9780470387719

丛书系列:

图书标签:

• 激光物理
• 光学
• 量子电子
• 激光技术
• 非线性光学
• 电磁学
• 固体物理
• 光谱学
• 光子学
• 材料科学

书名： Laser Physics 图书简介： 本书深入探讨了激光物理学的核心概念、基本原理及其在科学、技术和工业领域的广泛应用。作者通过清晰的阐述和丰富的实例，带领读者一同揭示激光这一神奇光线的奥秘。本书旨在为物理学、工程学以及相关交叉学科的学生和研究人员提供一个全面而深入的学习资源，帮助他们理解激光的产生机制、光学特性以及如何操控和应用激光。 第一部分：激光的基本原理 本书的开篇将聚焦于激光物理学的基石——光与物质的相互作用。我们将从量子力学的角度出发，审视原子和分子的能级结构，以及它们与电磁场的耦合。共振吸收、自发辐射和受激辐射这三大基本过程，是理解激光产生机制的关键。我们将详细分析这些过程的概率、能量关系以及它们如何决定了激光的发光特性。 1. 量子力学基础与能级结构： 原子能级与量子化： 介绍玻尔模型、量子数以及原子和分子中电子能级的离散特性。 能量跃迁： 详细讲解光子与物质的相互作用，包括吸收、自发辐射和受激辐射的微观过程。 粒子数反转 (Population Inversion)： 解释为何需要粒子数反转才能实现激光振荡，以及实现粒子数反转的几种常见方法，如光泵浦、电泵浦和化学泵浦。 2. 激光腔的建立与谐振： 光学谐振腔 (Optical Resonator)： 介绍不同类型的激光谐振腔（如平面镜腔、共焦腔、半共聚焦腔）的几何结构和光学特性。 谐振模式 (Resonant Modes)： 分析谐振腔内的电磁场分布，包括横向模式和纵向模式。理解模式的选择性对于控制激光的输出特性至关重要。 阈值条件 (Threshold Condition)： 讲解激光器开始振荡所必须满足的条件，即增益大于损耗。 3. 增益介质 (Gain Medium)： 材料选择： 探讨不同类型的增益介质，包括固体激光器（如 Nd:YAG、Ruby）、气体激光器（如 He-Ne、CO2）、半导体激光器（如 GaAs）和染料激光器。 能级系统： 分析不同增益介质中的能级结构，例如两能级、三能级和四能级系统，以及它们对粒子数反转和增益特性的影响。 饱和效应 (Saturation Effects)： 解释在高功率泵浦下，增益介质的增益会随光强而变化，这是激光器性能分析中的一个重要方面。 第二部分：激光器的类型与工作原理 在掌握了激光的基本原理后，本书将进一步深入探讨各种激光器的具体结构、工作机制和性能特点。我们将从最常见的激光器类型入手，逐步介绍更复杂和前沿的激光技术。 1. 固体激光器： Nd:YAG 激光器： 详细介绍掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）激光器的原理、结构、泵浦方式（如灯泵浦、半导体泵浦）以及其在工业加工、医疗和科学研究中的应用。 Ruby 激光器： 回顾 Ruby 激光器的发展历史，分析其工作原理和局限性。 光纤激光器： 介绍近年来发展迅速的光纤激光器，包括其结构特点（如增益光纤、泵浦光纤、输出耦合器）、优势（如高光束质量、易于散热）及其在通信、加工和传感领域的广泛应用。 2. 气体激光器： He-Ne 激光器： 阐述氦氖（He-Ne）激光器的工作原理，分析其输出波长、功率以及在干涉测量、全息术和激光打标中的应用。 CO2 激光器： 深入讲解二氧化碳（CO2）激光器的工作机制，分析其大功率输出能力，以及在工业切割、焊接和医疗手术中的重要作用。 准分子激光器 (Excimer Lasers)： 介绍准分子激光器的工作原理，分析其在紫外和深紫外波段的输出能力，及其在半导体制造（光刻）、材料加工和眼科手术中的应用。 3. 半导体激光器： PN 结与带隙理论： 从半导体物理学角度出发，解释 PN 结的形成、载流子注入和复合过程。 GaAs 激光器： 详细分析砷化镓（GaAs）等化合物半导体激光器的结构、工作模式（如连续波、脉冲）和性能参数。 激光二极管阵列与高功率输出： 介绍如何通过构建激光二极管阵列来实现更高的输出功率，以及其在泵浦固体激光器、光通信和显示技术中的应用。 4. 其他类型激光器： 染料激光器： 探讨有机染料作为增益介质的激光器，分析其可调谐性，以及在光谱学和医学成像中的应用。 自由电子激光器 (Free Electron Lasers, FELs)： 介绍利用高能电子束与周期性磁场相互作用产生激光的原理，强调其在产生超短脉冲和极端波长（如 X 射线）方面的潜力。 量子点激光器： 介绍基于半导体量子点材料的新型激光器，分析其独特的量子限制效应带来的性能优势。 第三部分：激光的输出特性与参数 本书的这一部分将详细介绍衡量激光器性能的关键参数，以及如何对其进行表征和控制。 1. 激光功率与能量： 平均功率 (Average Power)： 定义和测量方法。 脉冲能量 (Pulse Energy) 与峰值功率 (Peak Power)： 对于脉冲激光器，分析单脉冲的能量和瞬时功率。 光束质量 (Beam Quality)： 介绍 M² 因子等指标，以及它如何影响光束的聚焦能力和远场传播特性。 2. 光谱特性： 线宽 (Linewidth)： 讨论激光输出光谱的宽度，以及它与相干性的关系。 波长可调谐性 (Tunability)： 分析哪些类型的激光器能够输出可调谐的激光，以及其应用。 模式结构： 详细讨论横模和纵模的选择，以及单模输出的实现。 3. 相干性 (Coherence)： 空间相干性 (Spatial Coherence)： 描述光波在空间上的相位一致性。 时间相干性 (Temporal Coherence)： 描述光波在时间上的相位一致性，与激光的线宽密切相关。 相干长度 (Coherence Length)： 定义和测量。 4. 偏振 (Polarization)： 线性偏振、圆偏振和椭圆偏振： 分析激光输出的偏振状态。 偏振控制： 介绍如何通过偏振片、波片等光学元件来控制和改变激光的偏振状态。 第四部分：激光与物质的相互作用 激光的强大能量和高度定向性使其成为与物质相互作用的理想工具。本部分将探讨激光与物质作用的各种现象及其应用。 1. 非线性光学效应 (Nonlinear Optics)： 二次谐波产生 (Second Harmonic Generation, SHG)： 介绍高斯光束通过非线性晶体产生其两倍频率光子的现象。 三次谐波产生 (Third Harmonic Generation, THG)： 类似地，介绍产生三倍频率光子的现象。 自聚焦 (Self-focusing) 和自相位调制 (Self-phase Modulation)： 分析高强激光在介质中引起的折射率变化和光谱展宽。 参量过程 (Parametric Processes)： 讨论泵浦光、信号光和闲频光之间的能量转换，以及光学参量振荡器 (OPOs)。 2. 激光与材料的相互作用： 激光诱导击穿 (Laser-Induced Breakdown)： 讨论在强激光作用下材料发生电离和等离子体形成的机制。 激光烧蚀 (Laser Ablation)： 分析激光能量如何导致材料的去除，及其在微加工、纳米制造中的应用。 激光焊接与切割： 详细介绍激光在金属、非金属材料加工中的应用，分析其优势和工艺参数。 激光退火与热处理： 探讨激光如何用于精确控制材料的温度，实现晶格重排和性能优化。 3. 激光与生物体的相互作用： 光动力疗法 (Photodynamic Therapy, PDT)： 介绍激光激活光敏剂，产生单线态氧，用于治疗癌症和其他疾病。 激光手术： 分析不同类型激光在眼科手术（如 LASIK）、皮肤科手术和普外科手术中的应用，讨论其精确性和微创性。 激光与细胞成像： 介绍激光在荧光显微镜、共聚焦显微镜和多光子显微镜中的应用，实现高分辨率的细胞和组织成像。 第五部分：激光的应用领域 激光技术已经渗透到现代社会的各个角落，本部分将系统介绍激光在不同领域的广泛应用。 1. 科学研究： 光谱学 (Spectroscopy)： 介绍激光光谱技术，如拉曼光谱、荧光光谱、吸收光谱，及其在物质成分分析、分子结构研究中的应用。 原子和分子物理： 讨论激光在冷却、捕获原子和分子，以及研究量子相干现象中的作用。 材料科学： 介绍激光在材料制备（如薄膜沉积、纳米颗粒合成）、结构表征和性能测试中的应用。 天文学与空间探测： 探讨激光雷达 (Lidar) 在大气探测、地球观测和空间通信中的应用。 2. 工业与制造业： 精密加工： 详细介绍激光切割、焊接、钻孔、打标、刻蚀等技术在汽车、航空航天、电子元件制造中的应用。 测量与检测： 介绍激光测距、激光三角测量、激光干涉仪等技术在尺寸测量、形貌分析和质量控制中的应用。 表面处理： 探讨激光表面强化、表面改性等技术，改善材料的耐磨性、耐腐蚀性等。 3. 通信与信息技术： 光纤通信： 阐述激光器作为光信号光源在光纤通信系统中的核心作用，以及其在信息传输速率和容量上的优势。 光学存储： 介绍激光在 CD、DVD、蓝光光盘等数据存储技术中的应用。 激光显示： 探讨激光电视、激光投影仪等显示技术的发展。 4. 医疗与健康： 诊断与成像： 介绍激光在医学成像（如光学相干断层扫描 OCT）、生物传感器等方面的应用。 治疗与手术： 详细阐述激光在外科手术、美容整形、眼科治疗（如近视矫正）等方面的应用。 康复医学： 介绍低能量激光照射在促进组织修复、缓解疼痛方面的应用。 5. 其他重要应用： 军事与国防： 介绍激光在目标指示、测距、定向能武器等方面的应用。 环境保护： 探讨激光在环境监测（如大气污染物检测）、水体净化等方面的应用。 基础科学研究： 强调激光作为基础研究工具的重要性，推动物理学、化学、生物学等学科的发展。 本书的结尾部分还将对激光技术的未来发展趋势进行展望，包括新型激光器（如高重复频率飞秒激光器、全固态紫外激光器）、激光在量子计算、生物医学成像以及先进制造等前沿领域的应用前景进行探讨。通过对这些内容的深入解读，读者将能够构建起对激光物理学一个系统、全面且深入的理解，并能够把握这一颠覆性技术未来的发展脉络。

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