国外激光教材lasers与国内相关教材评介袁树忠南开大学现代光学.docx

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国外激光教材lasers与国内相关教材评介袁树忠南开大学现代光学

国外激光教材“lasers”与国内相关教材评介

袁树忠

（南开大学现代光学研究所天津300071）

摘要本文对国内外有代表性的激光教材进行了点评，提出了在国内与激光密切相关的本科及研究生教学中，使用哪些教材作为重点参考，以及为满足国内高校教材与国际接轨的需求，国内激光教材应如何编写的建议。

关键词激光激光原理国外教材教材评介

激光是二十世纪的重大科技发明之一，激光的应用遍及科技、经济、军事和社会发展的各个领域。

它是把微波受激辐射放大器的原理推广到光波波段发展起来的。

半个世纪以来，在理论研究的推动下，不断有新型的激光器出现，不断扩大应用领域，学校的教材也在不断革新，但激光的基本原理内容不会变。

在激光的基础部分，国内外有代表性的大学教材有美国斯坦福大学电子工程系的著名教授A.E.Siegman编写的“Lasers”、意大利米兰理工学院和国家研究委员会OrazioSvelto先生编写的“PrinciplesofLasers”和W.T.Silfvast的《LaserFundamentals》等，国内则以清华大学周炳琨等人编著的《激光原理》影响最为广泛。

1.“Lasers”的主要内容、特点和适用对象

1.1该书的主要内容

A.E.Siegman教授的“Lasers”由牛津大学出版社1986年出版，该书系统而详细地论述了激光物理、激光技术方面的知识，内容全面，其理论基础主要为经典电子振荡的洛伦兹模型，全书1283页，共计31章，分为3大部分。

第一部分为激光的物理基础共计13章557页。

这部分内容占全书的2/5还多，是学习激光的基础。

从激光器的基本问题开始，用经典和半经典理论模型描述了电偶极子跃迁、原子速率方程、激光泵浦和粒子数反转、激光放大、线性和非线性脉冲传输、振荡动力学和阈值等。

第二部分为光束和谐振腔理论，共计有10章365页。

这一部分分别从射线光学（矩阵光学）和波动光学讨论了激光光束—高斯光束的特性、稳定的两镜谐振腔，并用复合同轴波动光学讨论了同轴谐振腔理论，最后还讨论了非稳谐振腔。

第三部分是激光动力学和新的研究课题。

共有8章345页。

这一部分从激光动力学讨论了激光的模式竞争、Q开关、模耦合、锁模、烧孔和饱和吸收光谱等。

1.2该书的特点

A.E.Siegman教授的“Lasers”一书是出现较早的全面阐述激光原理的经典教材，该书的特点是让读者从量子电子学的神秘感中解脱出来，从而能轻松地阅读全书。

该书没有从量子电子学的角度去论述和进行数学推导，而是从经典的量子电子学论述，这样工科学生学习起来容易一些，但学生需要有本科生的光学和经典电子学的基础。

作者认为激光物理中的大部分基本概念及所有的应用原理均属于经典理论的范围，因此该书的论述方法主要基于电子振荡理论模型，并适当引入原子、分子的能级结构图和能级跃迁这些物理学者所熟知的量子力学概念，这样就不用要求学生熟悉艰深的量子力学理论，只要掌握了电磁理论、电动力学方法和基础光学知识就能很容易地理解掌握全书所阐述的基本理论。

另外，该书物理概念论述清楚、系统，图示和数学表述容易理解，内容丰富，并且该书每一节的后面都有参考文献和思考题，便于学生查阅参考和思考。

以下是部分思考题和习题。

第一章的第11节习题1、2

1.固体激光器以及部分气体激光器可以在调Q状态下工作。

用宽脉冲泵浦，开始通过增加腔内损耗，阻止激光振荡，以获得极大的反转粒子数；在泵浦结束时，突然减小腔内损耗，上能级粒子数迅速“倒空”，形成高能量脉冲。

对于红宝石激光器，作为增益介质的红宝石棒中的铬离子的浓度通常为21019调Q状态下的红宝石激光器，几乎所有离子都可以被泵浦到上能级，泵浦脉冲的持续时间1ms。

设腔倒空时间为50ns，并且在此时间内再没有泵浦发生，计算单个调Q脉冲可以获得的最大能量，以及峰值功率。

（设红宝石棒为圆柱状，长7.5cm，直径1cm）。

2.激光聚焦强度问题:

上题中的激光被聚焦为直径1mm的光斑，求光斑的峰值功率强度（W/cm²）以及光斑的场强。

第六章第一节习题1、第二节习题2

1.考虑一个三能级系统（g1=g2=g3），并且认为W12=W21=Wα，W13=W31=Wb，利用光学频率近似方法给出粒子束之差N2-N3与泵浦速率和发射速率的关系。

假设Wα/Wb值恒定，用作图来说明变量（N2-N3）随泵浦强度的变化。

2.假设泵浦速率和弛豫速率Rp,γij不变，在考虑上下能级简并条件下，重新推导泵浦及饱和的计算过程。

设上下能级简并度分别为g1，g2，需要考虑其对W12，W21及ΔN21定义的影响。

第十二章第二节习题1

1．思考多普勒展宽型激光器中的模式数目。

He-Ne激光器为多普勒展宽型激光器ΔWd=2π1500MHz，其中心非饱和系数2αmo为3%每米。

假使激光器两镜腔的反射率分别为R=99%（输出镜）R=100%，由于布儒斯特窗造成的腔内损耗为0.5%试求出激光腔内可振荡的模式数目与激光器腔长的关系。

（假设增益介质与激光器两端相距10cm，且中心模式与原子线重合）

第十二章第三节习题1、2

1．单向传导环行激光器最佳输出耦合比分析。

在单向运转的环行激光器条件下，利用本节的小信号耦合分析方法进行推导，找出输出能量与耦合比、最佳输出耦合比以及能量提取效率的关系。

2．思考：

图12.12中给出了输出功率与耦合比的一些实验曲线，试从这些结果中推倒出不同实验条件下的能量提取效率。

这些思考题是精心安排的，尽量使学生能够通过这些思考题对书中的内容能有更深刻、准确的理解，同时尽量做到使学生能触类旁通，举一反三，活跃思维。

这些思考题体现了国外教材注重启发性、培养学生的创新和开拓精神的特点，这是我们编写自己国家教材时需要借鉴的地方之一。

1.3该书的适用对象

本书主要用于大学高年级本科生和研究生的教学参考书，特别是电子信息类和光学工程等专业高年级学生和研究生学习的好教材。

另外本书也适合物理类光学专业学生学习使用，也可以给那些将从事激光研究工作，从而需要学习激光理论的工程师和科学家提供可靠而详尽的激光物理与激光器运转的基础知识。

但相对篇幅较长，使用时根据具体情况，可适当选取。

2.中国激光相关教材

激光的主要内容是激光的基本工作原理、谐振腔理论、高斯光束变换、光与物质相互作用的光放大原理、典型激光器和激光控制技术（选模、稳频、调Q、锁模等）。

国内外的大多数教材，这些内容都有所涉及，但不同的学校有不同的应用背景，其侧重点也不一样，特别在典型激光器和激光控制技术方面。

多年来利用多种增益介质都产生了激光振荡（固体、气体、液体等），第一支激光器是1960年梅曼（Maiman）制成的红宝石固体激光器，紧接着出现的有气体激光器和其它固体激光器，典型的有氦-氖激光器、氩离子激光器、二氧化碳激光器等。

固体激光器是YAG激光器，用于产生超短光脉冲的是染料激光器（皮秒、飞秒），还有促进了通信革命的半导体激光器，以及近年来飞速发展的光纤激光器和光纤放大器。

激光器多种多样，几乎在各个领域都已有所应用，所以大学的激光教材也就有侧重于激光理论和侧重于应用两个方面的区别。

应用方面,不同类型的学校，应用的侧重点也不一样。

中国大学有关学习激光课程的专业大部分都建在了工科类大学的电子信息类和光学工程等专业，如清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等。

这些学校的教材侧重于激光的应用，介绍典型的激光器和应用中的技术问题的篇幅较多，当然对激光的基本理论也都有所涉及。

国内激光教材比较全面一些的有十几本，其中国防工业出版社2000年出版,清华大学周炳琨老师等编著的"激光原理"比较全面，基础理论也比较通俗易懂,比较适用电子信息类专业的高年级本科学生。

而天津大学出版社1988年出版，天津大学章若冰、王清月等老师编的“激光物理导论”，着重用半经典理论和全量子理论论述光和物质相互作用及激光的物理过程，理论描述和推导较多，也比较系统，适合激光有关专业的研究生使用。

下面分别简单介绍几本有关教材：

1.激光原理，周炳琨等，国防出版社2000年1月修改出版。

高校电子信息类规划教材，适合光电子专业类60学时用。

主要内容：

全书共计10章，第一章概述了激光器的基本原理。

讲述了光子的特性以及光的一些激发原理特性；第二章、第三章讲述谐振腔理论，重点介绍谐振腔模式的波动理论，并在此基础上讨论高斯光束的传输规律，对于非稳谐振腔，仅介绍了它的几何理论分析方法；在第四、五、六章中，重点阐述了光和物质相互作用的基本物理过程和主要理论分析方法，在激光器的各种理论分析方法中，主要介绍速率方程理论，在此基础上分析讨论激光振荡器和放大器的工作特性；第七章是介绍控制和改善激光器特性的各种技术的工作原理（选取单横模或单纵模以提高激光的方向性、单色性和相干性；稳定激光的振荡频率，使激光波长用作长度标准和用于调Q和锁模等）；在第八章中，介绍激光器的半经典理论（自洽方程、密度矩阵等）；第九章介绍了几种固体、气体和染料激光器；第十章专门介绍半导体激光器（激光用作通讯信号载波用），以及半导体激光器和光纤的出现对通讯呈现了革命化发展的作用。

全书48万字，每章后面都附有习题和参考文献，便于学生作业练习和参考查阅。

2.激光物理导论，章若冰等，天津大学出版社1988年12月出版。

该书重点放在了介绍和讨论处理激光常用的基本理论和基本方法上，特别注意基本概念和物理图像的描述，以半经典理论为主，结合全量子理论来论述光与物质的相互作用及激光的物理过程。

主要内容：

共13章。

第一章为激光器的理论概述；2-7章为半经典理论，包括光与物质相互作用的半经典理论、密度矩阵、激光器单模和多模运转,环形激光器和塞曼激光器及光与物质的相干相互作用（包括光学章动、光子回波及自感应透明等）；8-10章为激光的全量子理论，包括辐射场的量子化及量子化辐射场的状态描述；11、12章是讨论光的相干性和噪声；13章简单介绍超辐射和超荧光。

该书参考了A.E.Siegman教授1971年的著作“AnIntroductiontoLaserandMasers”。

全书40万字，此书理论内容比较深厚，主要作为研究生教材。

3.激光原理技术及应用，李相银等编著，是由哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、北京理工大学、西北工业大学和哈尔滨工程大学等五家出版社联合出版的国防科工委‘十五’规划教材，2004年10月出版。

该书共计11章，分五个部分。

第一部分（1—4）章讲述激光的原理及技术基础、激光工作物质、光学谐振腔、激光器工作原理；第二部分（5、6章）介绍各种激光器：

固体激光器、气体激光器、半导体激光器，还介绍了自由电子激光器和化学激光器等；第三部分（7、8章）讲述激光技术：

光波的调制（声光、电光调制及磁光隔离等）、调Q技术、锁模技术、选模和稳频技术、光电器件的设计和参数选用原则（光偏转器、光隔离器、光探测器、光纤、光学天线、倍频和参量放大以及光学元件的损伤等）；第四部分，仅有一章（9章），介绍激光参数测量（能量、发散角、波长和谱线宽度等）和激光技术实验（声光调Q、电光调Q、倍频技术和横向激励二氧化碳激光器等四个实验）；第五部分（10、11章）讲述激光的应用，包括国防以及工业等方面。

有激光测距和激光雷达、激光遥感技术、激光通信技术、激光和光纤陀螺、激光制导以及激光在线测径和在线测厚等工业检测以及激光在化学和生物医学方面的应用等。

全书共计56万字，在技术和应用方面，讲述的内容比较多，还编入了几个实验也是本书的特点。

为了便于学生学习，在每章的后面都附有一些习题和参考题，每章也都有参考文献，便于查阅。

4.激光原理技术及应用，阎吉祥等编，北京理工大学出版社2006年8月出版（北京市高等教育精品教材立项项目）

该书在阐述激光的基本原理的基础上，增加了激光技术内容的比重，全书共计40万字，在技术和应用方面的内容占了1/2的篇幅。