高等学校电子信息类专业“十二五”规划教材：激光器件 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

内容简介

《高等学校电子信息类专业“十二五”规划教材：激光器件》系统全面地阐述了各类主要激光器件的工作原理、工作特性、输出特性以及基本的设计方法和应用，涉及的主要激光器件有气体激光器、固体激光器、半导体激光器及其他具有代表性的各类器件。
《高等学校电子信息类专业“十二五”规划教材：激光器件》内容编排深入浅出、条理清晰、重点突出、实用性强，反映了近年来国内外激光器件研究及应用的最新成果和最新进展。
《高等学校电子信息类专业“十二五”规划教材：激光器件》可作为电子科学与技术、光信息科学与技术、应用物理与技术等专业本科生和研究生的教材，也可作为从事光电子技术及相关产业的技术人员和其他相关专业师生的参考书。

内页插图

目录

第一篇 气体激光器
第一章 气体激光器的放电激励基础
1.1 气体放电的基本过程
1.1.1 气体放电粒子的种类及其相互作用
1.1.2 气体放电的基本参量
1.1.3 气体放电的形式
1.2 气体放电中的选择激发过程
1.2.1 共振激发能量转移
1.2.2 电荷转移
1.2.3 潘宁效应
1.2.4 电子碰撞
1.3 气体激光器的其他激励方式
1.3.1 电子束激励
1.3.2 光激励
1.3.3 热激励
1.3.4 化学能激励
1.3.5 核能激励
练习与思考题
第二章 原子气体激光器
2.1 氦氖激光器的工作原理
2.1.1 氦氖激光器的基本结构
2.1.2 氦氖原子的能级结构
2.1.3 粒子数反转分布的建立过程
2.2 氦氖激光器的工作特性
2.2.1 氦氖激光器速率方程组
2.2.2 增益与放电条件的关系
2.2.3 增益曲线和增益饱和
2.3 氦氖激光器的输出特性
2.3.1 氦氖激光器的输出功率
2.3.2 氦氖激光束的发散角
2.3.3 氦氖激光的偏振特性
2.3.4 氦氖激光的频率特性
2.4 氦氖激光器的设计
2.4.1 放电管长度和谐振腔长度
2.4.2 反射镜曲率半径
2.4.3 放电管内径
2.4.4 最佳透过率
2.4.5 设计举例
2.5 其他氦氖激光器和其他惰性气体原子激光器
2.5.1 其他形式的氦氖激光器
2.5.2 其他惰性气体原子激光器
2.6 金属蒸气原子激光器
2.6.1 自终止跃迁激光器
2.6.2 铜蒸气原子激光器
2.6.3 其他金属蒸气原子激光器
练习与思考题
第三章 分子气体激光器
3.1 普通型二氧化碳分子激光器的激励机理
3.1.1 二氧化碳分子能级结构
3.1.2 粒子数反转分布的建立
3.2 普通型二氧化碳分子激光器的工作特性
3.2.1 普通型二氧化碳分子激光器的结构
3.2.2 一普通型二氧化碳分子激光器的工作特性
3.2.3 辅助气体
3.3 普通型二氧化碳分子激光器的输出特性
3.3.1 输出功率
3.3.2 频谱特性
3.3.3 选支原理
3.4 中小型二氧化碳分子激光器的设计
3.4.1 放电管长度和腔长
3.4.2 腔镜曲率半径
3.4.3 放电管直径
3.4.4 输出镜最佳透过率Topt
3.4.5 估计功率P
3.5 流动型二氧化碳分子激光器
3.5.1 流动型二氧化碳分子激光器的工作特性
3.5.2 流动型二氧化碳分子激光器的分类
3.6 横向激励高气压型二氧化碳分子激光器
3.6.1 TEACO2，分子激光器的特点
3.6.2 TEACO2，分子激光器的工作特性
3.6.3 高气压均匀辉光放电技术
3.6.4 紫外预电离TEACO2，分子激光器
3.7 气动型二氧化碳分子激光器
3.7.1 气动CO2分子激光器的工作原理
3.7.2 气动CO2分子激光器的结构
3.7.3 气动CO2分子激光器的工作特性
3.8 准分子激光器
3.8.1 准分子概念及其能级结构
3.8.2 XeF激光器的工作原理
3.8.3 快放电激励XeF准分子激光器
3.8.4 电子束激励XeF准分子激光器
3.9 光泵远红外分子激光器
3.9.1 光泵浦概念
3.9.2 光泵远红外分子激光器基本原理
3.9.3 谐振腔构型
3.1 0氮分子激光器
3.1 1氮分子激光器激发机理
3.1 2氮分子激光器的激励电路
3.1 3氮分子激光器的输出特性
练习与思考题
第四章 气体离子激光器
4.1 氩离子激光器
4.1.1 氩离子的能级结构和激发机理
4.1.2 氩离子激光器的结构
4.1.3 氩离子激光器的工作特性
4.2 氦-镉离子激光器
4.2.1 镉离子的能级结构和激发
4.2.2 氦-镉离子激光器的结构
4.2.3 氦-镉离子激光器的工作特性
4.3 其他金属蒸气离子激光器
4.3.1 砷金属蒸气离子激光器
4.3.2 氩-氪离子激光器
4.3.3 氪离子激光器
4.3.4 氦-镉-汞离子激光器
4.3.5 氦-铅离子激光器
练习思考题

第二篇 固体激光器
第五章 固体激光器的基本特性
5.1 固体激光器的基本原理
5.1.1 固体激光器的基本结构
5.1.2 固体激光器的能量转换
5.2 固体激光器的基本特性
5.2.1 固体激光器的阈值
5.2.2 固体激光器的增益饱和和饱和光强
5.2.3 固体激光器的弛豫振荡
5.2.4 固体激光器的输出光束质量
5.2.5 固体激光器的光谱特性
5.2.6 固体激光器的偏振特性
……
第六章 固体激光器工作物质的性质
第七章 固体激光器的光泵浦系统
第八章 固体激光器的热效应及补偿
第九章 固体激光器谐振腔

第三篇 半导体激光器
第十章 半导体激光器的工作原理
第十一章 半导体激光器的基本构型
第十二章 半导体激光器的输出特性

第四篇 其他激光器
第十三章 液体激光器
第十四章 化学激光器
第十五章 自由电子激光器
第十六章 光纤激光器
参考文献

前言/序言

激光器件：光电转换与信息传输的关键技术 激光，作为一种高度集中的、相干性极强的单色光源，自诞生以来便以其独特的物理特性，深刻地改变了科学研究、工业生产、医疗保健以及信息通信等诸多领域。从最初的基础科学探索，到如今无处不在的应用，激光器的发展历程本身就是一部人类智慧与工程技术的壮丽史诗。而支撑起这一切的，正是那些精巧而强大的激光器件。本书《高等学校电子信息类专业“十二五”规划教材：激光器件》，正是聚焦于这一核心技术，旨在为电子信息类专业的学生系统地阐述激光器件的原理、设计、制造、性能以及应用。 本书内容详实，理论体系严谨，力求将深奥的光学物理与前沿的电子工程技术有机结合，引领读者深入理解激光器件的内在奥秘。我们将从激光的产生机制出发，逐步深入到各种典型激光器的结构与工作原理，并在此基础上探讨其关键性能参数的表征与优化。同时，本书也充分关注了激光器件在现代电子信息系统中的地位与作用，力求使读者能够将所学知识融会贯通，为未来的技术创新与工程实践打下坚实基础。 第一章：激光基础理论 本章是理解后续所有激光器件内容的基础。我们将从光的波动性和粒子性入手，深入介绍光的干涉、衍射、偏振等基本光学现象，为理解激光的相干性奠定理论基础。随后，我们将重点阐述激光器工作的核心原理——受激辐射。爱因斯坦的量子理论是这一章节的重中之重，我们将详细解析能级跃迁、粒子数反转、阈值条件等概念，使读者能够清晰地理解为何激光器能够产生如此特殊的相干光。此外，本章还将介绍激光的主要特性，如单色性、方向性、相干性以及高能量密度，并初步探讨这些特性在不同应用场景下的优势。 第二章：气体激光器 气体激光器是早期发展起来且应用广泛的一类激光器。本章将首先介绍气体放电的基本原理，以及等离子体在激光产生中的作用。接着，我们将重点剖析几种典型的气体激光器，例如： 氦氖（He-Ne）激光器： 作为最早出现的实用激光器之一，其工作原理相对简单，但却具有优良的稳定性和可靠性。我们将详细介绍其腔体结构、工作气体组成、能级跃迁过程以及常见的输出波长，并探讨其在测量、干显、科研等领域的应用。 二氧化碳（CO2）激光器： 以其高功率输出和高效率而闻名，在工业加工领域占据主导地位。我们将深入讲解CO2激光器的分子能级跃迁原理，气体混合的优化，以及各种结构形式（如横流、轴流、扩散冷却等）的优缺点，并重点介绍其在切割、焊接、打标等工业应用中的技术要求。 准分子激光器： 属于紫外激光器的一种，具有高峰值功率和短脉冲宽度等特点。本章将介绍其特殊的分子态工作物质，以及产生紫外激光的机制，并阐述其在光刻、医疗、材料处理等领域的独特优势。 第三章：固体激光器 固体激光器以其结构紧凑、输出功率可调范围广、种类繁多等优点，成为激光技术的重要组成部分。本章将重点介绍以下几类固体激光器： 掺杂离子固体激光器： 这是最常见的固体激光器类型，其工作物质是掺杂了特定离子的晶体或玻璃。我们将详细讲解掺杂离子在基质中的能级结构，例如： Nd:YAG激光器： 作为应用最广泛的固体激光器之一，其工作物质为掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）。我们将深入解析Nd³⁺离子的能级跃迁，泵浦源（如灯泵浦、半导体泵浦）的选择及其影响，以及腔体设计、模式控制等关键技术，并强调其在工业加工、医疗、科研以及国防等领域的广泛应用。 红宝石激光器： 作为最早实现激光输出的固体激光器，虽然现在应用相对较少，但其历史意义重大。本章将介绍其工作物质——铬掺杂氧化铝（Cr³⁺:Al₂O₃），并分析其输出特性。 光纤激光器： 作为近年来发展迅猛的新型固体激光器，其核心是利用掺杂光纤作为增益介质。我们将重点介绍光纤激光器的基本结构（泵浦源、掺杂光纤、输出耦合器等），及其相对于传统固体激光器的优势，如优异的光束质量、良好的热管理以及易于实现高功率输出。并探讨其在通信、加工、医疗等领域的巨大潜力。 第四章：半导体激光器 半导体激光器（LD）以其体积小、效率高、易于调制、寿命长等特点，在光通信、信息存储、显示、医疗等领域发挥着不可替代的作用。本章将从半导体材料的能带理论出发，深入讲解PN结的形成、载流子注入、电子-空穴复合发光等过程。随后，我们将重点介绍： PN结激光器： 分析其工作原理，包括载流子注入、受激发射以及谐振腔的构建。 异质结激光器： 解释为何采用异质结结构能够提高激光器的效率和性能，例如双异质结、单量子阱、多量子阱等结构的设计理念。 量子阱激光器： 介绍量子限制效应如何影响能带结构，从而实现更窄的谱线宽度和更低的阈值。 分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射器（DBR）激光器： 重点讲解这些集成式半导体激光器如何通过光栅结构实现精确的波长控制，以及它们在光通信中的重要作用。 垂直腔面发射激光器（VCSEL）： 介绍其特殊的腔体结构，以及其在短距离光通信、传感器等领域的应用前景。 半导体激光阵列： 探讨如何通过集成多个半导体激光器以实现更高的输出功率，以及其在泵浦、激光加工等领域的应用。 第五章：激光器腔体与谐振 激光器腔体是实现激光振荡的关键组成部分。本章将深入研究激光谐振腔的几何结构、光学元件（如反射镜）的特性以及腔内光场的分布。我们将详细讲解： 谐振腔的类型： 如平-平腔、平-凹腔、凹-凹腔、弯曲腔等，并分析它们各自的稳定性条件。 腔模： 介绍横模（TEMmn）和纵模（longitudinal modes）的概念，以及如何通过腔体设计来控制模特性，获得所需的光束质量和谱线宽度。 腔损耗： 分析腔体内的各种损耗机制，如反射镜损耗、衍射损耗、吸收损耗等，并探讨如何减小损耗以提高激光器的效率。 阈值条件与输出功率： 结合增益和损耗，推导激光器开始振荡的阈值条件，并分析输出功率与泵浦功率之间的关系。 第六章：激光器的泵浦技术 泵浦是为激光介质提供能量，使其达到粒子数反转的关键过程。本章将详细介绍各种泵浦技术及其特点： 光学泵浦： 包括灯泵浦（闪光灯、连续灯）、半导体激光泵浦、固体激光器泵浦等，分析各种光学泵浦源的能量转换效率、光谱特性以及对激光器性能的影响。 电泵浦： 主要应用于气体激光器和某些固体激光器，介绍气体放电、电子束泵浦等方式。 化学泵浦： 简要介绍利用化学反应产生的能量激发激光介质的原理。 第七章：激光性能参数的表征与优化 本章将聚焦于如何客观地评价激光器的性能，并指导如何对其进行优化。我们将深入探讨以下关键参数： 输出功率与效率： 定义各种效率（斜率效率、量子效率、光-光效率）并介绍测量方法。 光谱特性： 包括波长、谱线宽度、模式结构，以及如何通过光谱分析仪等设备进行测量。 光束质量： 介绍M²因子等概念，用于评价激光光束的聚焦能力和远场分布，并阐述其在精密加工、光束传输中的重要性。 稳定性： 包括功率稳定性、波长稳定性、模式稳定性等，介绍影响稳定性的因素及提高稳定性的方法。 脉冲特性： 对于脉冲激光器，将介绍脉冲宽度、脉冲能量、重复频率、峰值功率等参数，并探讨锁模、调Q等技术。 第八章：激光调制与调控 激光器输出的激光束可以通过各种方式进行调制和调控，以满足不同的应用需求。本章将介绍： 强度调制： 包括电光调制、声光调制、磁光调制等，以及其在通信、信息存储等领域的应用。 频率调制/波长调谐： 介绍如何通过改变腔体长度、温度、电场等参数实现激光频率或波长的变化，以及其在光谱分析、激光雷达等领域的应用。 偏振控制： 介绍偏振片、波片等器件，以及如何控制激光的偏振状态。 第九章：激光安全 激光作为一种高能量光源，其使用过程中存在一定的安全风险。本章将重点强调激光安全的重要性，介绍不同等级激光的危险性，以及相应的防护措施，包括： 激光辐射的生物效应： 对眼睛和皮肤的潜在危害。 激光防护眼镜： 不同波段和功率下的选择与使用。 安全操作规程： 包括工作区域的划分、标识、人员培训等。 第十章：激光器件的应用 本书的最后一章将展示激光器件在现代社会中的广泛应用，进一步激发读者对激光技术的兴趣。我们将概览以下主要应用领域： 光通信： 介绍半导体激光器在光纤通信系统中的核心作用，以及其对信息时代发展的推动。 工业加工： 阐述高功率激光器在切割、焊接、打标、钻孔、表面处理等方面的应用，以及其带来的效率提升和精度改进。 医疗保健： 介绍激光在手术、诊断、治疗（如眼科、皮肤科、肿瘤治疗）、美容等领域的应用。 科学研究： 激光在光谱学、精密测量、粒子加速、基础物理实验等领域的不可替代作用。 信息存储与显示： 光盘（CD、DVD、蓝光）的激光读取技术，以及激光投影、全息显示等。 国防与安全： 激光测距、激光雷达、激光武器、光电对抗等。 环境监测与遥感： 激光雷达（LIDAR）在地形测绘、大气监测、污染物探测等方面的应用。 通过对以上章节的学习，读者将对激光器件的原理、设计、制造、性能及应用有一个全面而深入的理解。本书力求理论与实践相结合，不仅提供坚实的理论基础，还将在适当之处结合工程实例进行分析，引导读者将所学知识应用于实际工程问题。我们相信，掌握激光器件技术，对于电子信息类专业的学生来说，将是开启未来职业生涯和科技创新的重要钥匙。