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1、Laser FundamentalsLaser Fundamentals激光基础评介赵国华 （南开大学现代光学研究所 天津 300071）张立彬 （南开大学图书馆 天津 300071）傅汝廉 （南开大学现代光学研究所 天津 300071）摘 要 本文对激光基础一书从写作背景、内容及特点以及本书的适用对象 等方面进行了分析和介绍，并与国内知名教材在知识点上、讲述方法、总体框架上的区别进行了对比。关键词 外国教材 激光 教材评介1对本书的评介1.1 本书的写作背景和作者情况介绍激光基础是一本优秀的教科书。作者William T. Silfvast教授历时十年于1996年完成第一版，此后分别在199

2、9年、2000年、2003年三次再版。该书出版后受到读者和编辑的一致好评，作者于2004年完成了第二个版本并出版。William Silfvast 分别于1961和1965 获得了Utah大学的物理和数学的理学学士学位以及物理学博士学位。19671989工作于ATT贝尔实验室，1983年成为一名卓越的工程技术成员，1990年，成为佛罗里达州奥兰多市的大学中心的一名物理教授，同时也是一名光学与激光研究与教学中心的一名成员。1999年，他成为光学研究所的光学教授，目前是光学所退休的名誉教授。他是牛津大学19661967年NATO的博士学位获得者，19821983年成为史丹弗Guggenheim基金

3、学者,19941997年是弗罗里达中心大学物理学院的一员。Silfvast教授是美国物理学界、光学界和IEEE的成员，他在原子蒸气激光、复合激光、光至电离泵浦激光、等离子激光和EUV石版印刷术领域承担先驱性工作，著有100多篇工程论文，还拥有30余项专利。激光基础是作者在佛罗里达中央大学教授“激光原理”课程所用讲义的基础上编写而成。佛罗里达中央大学的光学激光研究教育中心，是美国著名的三大光学研究中心之一。正是由于作者从1960年就开始长期从事激光科研与教学工作，积累了丰富的理论与实践知识，因此才能写出如此优秀的有独到见解的激光教科书。1.2 本书的内容及特点1.2.1 本书的内容此书详细介绍了

4、激光的各个方面。首先揭示了光的量子和波的基础特性，例如相干、能级结构、发射谱线和受激辐射，接着利用这些性质解释粒子反转数、增益、饱合强度、激光阈值之上运转、激励或泵浦和空穴性质，还包括横纵模、高斯光束、不稳定腔、调Q和锁模等。并检验了在气体或等离子体等低密度物质里粒子反转与固态或液态物质等高密度物质的3、4能级系统具有一样好的增益，提供了包括固态和半导体激光器在内的大多数普通激光器的详细描述和数据。此外，这本书还包括一章关于激光的非线性转换。作者认为理解激光，就要一并了解光的粒子和波特性，以及和物质的相互作用,所以利用第一部分来介绍这部分内容。该书第一章便讲述了光的基本性质以及光与物质作用原理

5、，第2章到第6章则讲述了光基本的波动特性和量子特性。其中波动特性包括：波动方程的求解、偏振以及光与电介质材料的相互作用。能级、辐射、辐射展宽（在气体、液体、固体中）和受激辐射等则表明了光的量子特性。光放大的概念在第7章中介绍。涉及粒子数反转和泵浦的激光放大器特性在8到10章中介绍。第11章讨论了谐振腔的特性与横模和纵模的形成。第12章和13章深入研究了高斯光束和特殊的激光谐振腔。第14和15章介绍了大部分常见激光器。第16章对激光频率变换的非线性光学技术进行了简短的概述。1.2.2 本书的特点与第一版相比，第二版不仅在文字和插图上有了很大的提高，对第一版的文章和图片进行了多处改进，而且在固体激

6、光器、半导体激光器和激光谐振腔章节中加进了许多新内容。第二版还增加了一个新章节来介绍阈值之上的激光运转情况，增加了许多新材料特别是在液体激光器、半导体激光器、空阱激光器领域的介绍，其中对激光放大器进行了广泛的讨论。另外第二版还详尽地介绍了一些新类型的激光器，例如Nd:YLF激光器、Nd:YVO4激光器、Yb:YAG激光器，同时用了一些篇幅来介绍二极管泵浦的固体激光器。该书还用ABCD矩阵方法分析了含有双面镜、三面镜、四面镜的激光谐振腔。该书首次发展了诸如相干、能级、辐射线宽和受激辐射等光的基本的波动和量子特性。它用这些特性发展了粒子数反转、增益、饱和强度、阈值之上的激光运转、泵浦和激光谐振腔特

7、性等概念，激光谐振腔特性包括横模和纵模、高斯光束、不稳定谐振腔、调Q、锁模等概念。这本书所阐述的原理对于所有激光器都适用。书中介绍了大量的固体激光器和半导体激光器，并对常见的激光器给出了详尽的描述和表格数据。最后该书以介绍有关激光的非线性频率变换的章节结尾。该书的独特之处有：第4章中的辐射线宽和展宽的处理，第7章中的激光放大器简单模型的发展，第13章中的特殊激光谐振腔的讨论和第14、15章对激光器的总结。全书自始至终在解释每个概念时，总是把这个概念联系到包括气体激光器、液体（染料）激光器和固体激光器的各种激光器中。这样读者能够更好的理解，不仅仅是理解一个特定的激光器而是所有激光器。1.2.3

8、本书的反映有读者评价说：激光基础（第二版）是一本言简意赅、深入浅出的书籍，该书从激光的基础知识谈起，对激光物理、激光原理、激光技术及其设计等方面进行了全面地介绍。由于其详尽的解释、充足的例证以及大量的思考问题，使得这本书非常适合相关专业的高年级大学本科生及研究生阅读。除此之外，此书还有对各种类型激光的简介，激光技术最新的独特运用及发展状况以及广泛专业的参考书目。所有这些使得它非常适合相关研究人员使用，具有很高的参考价值。1.3 本书的适用对象激光基础为激光工作原理和设计详细的给出了物理上和工程原理上的综合介绍。它从最基础的概念开始，使读者逐步了解激光工作原理、基础，逐渐到激光的设计方法和原理，

9、向我们清晰全面地介绍了有关激光运转和激光设计的物理和工程原理。简明的阐释中贯穿了许多关键概念，这样使得全书从激光基础到激光物理和激光工程中所涉及的诸多问题都很容易理解。它对主要类型激光器的总结、对许多理论的独特描述以及每个章节后面的参考书目都使得该书具有很高的参考价值。书中清晰明了的解释、恰到好处的例证以及课后的作业题使得该书特别适合理工科进修激光课程的高年级本科生和一年级硕士研究生使用。同时，激光的关键内容的摘要、许多独特理论的描述运用、明晰的书目简介使得该书同样适用于激光领域的科研和设计人员。虽然它可以作为高年级本科生和一年级研究生激光课程的教科书和参考书，但该书篇幅较大，如果仅有一学期课

10、程则应择其基础部分讲授。2. 本书与国内知名激光教材的比对为了使读者能对本书的特点有更全面、深入的了解，我们选择Laser Fundamentals -激光基础与周炳琨先生的激光原理两种教材，对二者进行研究比较，它们分别是国外与国内两本经典的激光原理方面的教材，有很多可以相互借鉴的东西。两本教材都对激光原理、基础理论、发展历史和现今主要发展情况给出了详细的介绍和说明，但仔细比较，二者即有框架结构上的不同，也有讲述方法和内容上的细小区别。现将个人的观点简单整理和陈列，希望对使用这两种教材的人能有所帮助。2.1知识点上的区别总体而言，外文书籍包含内容全面，而且对激光教学的针对性很强，它所包含的知识

11、只为激光设计和学习所用，对于基础性的知识简明而讲述清晰详细、全面，做到对本门课程了解不多的人员通过学习这本教材都能很好的掌握和理解相关知识点和基本原理。如果加以一定的工作经历，可以做到较深层次的理论研究和创造设计，但对于激光原理或设计中不需要的理论则一笔带过，而不做过多的论述。开始读这本书的时候，第一印象似乎该书包含内容驳杂，但只要认真研读，或初次读本书的人会发现，可以不需要参考太多的书目，就能够较好的理解激光的相关原理和知识。它的讲述语言相对比较通俗，但一般不涉及较深的层次，主要是要求人们理解相应的概念，若需要对涉及的概念和知识有更深的理解和认知，则需要读者进行更多的作业和实践；而对于周炳琨

12、老师编著的激光原理，就对学生或相关工作者有较高的要求，它会 要求读者具备相关的理论和基础知识(当然，都是需要一定的基础知识，但要求的层次是有所区别的)。对于一些基础性的知识或学习该门课所涉及的一些内容，大多只提及主要内容并给予讲解，这些部分是要求读者必须掌握的内容和理论。没有学习过相关课程的人员则要去参阅相关的书籍，否则很难有进一步的深入学习。它要求学生能够很好的掌握和理解相关原理，换句话说，就是能够自行理解和进行基本公式的推导及应用。对于简单的公式能够较好的理解和使用，对于复杂一些的公式和推导则给出简单的推导，以及进行概括性的理解提示，这要求习读该书的读者有较高的学习能力和比较全面的知识。这

13、两本书知识点上的区别，对学习激光设计和工作原理的人员来说，要有一个方向上的指导。特别是对这两本书有了一个基本的了解后，再去选择一本适合自己的书籍进行学习，相信对以后的学习会有很大的帮助和促进作用。2.2 讲述方法上的区别对于涉及到的激光基本原理和设计的讲述方法上，两本教材更是有较大的区别。对于英文教材，会提及必要的公式理论推导和理解，但没有中文教材那么深奥，也不会有很多的公式推导，主要以图表解说为主。在这点上，英文教材有其独特的一面，中文教材是相对较弱的方面。在英文教材里，理解是编者非常关注的事情，他们会想一些直观的办法最主要的就是图解法让学生理解一些基础的概念和一些原理。这使得有英文基础的学

14、生都比较愿意看英文资料，它在书上的图例往往不因为简单而放弃使用，而是充分利用图解法来把所要讲述的问题分析透彻，让读者对所学内容即有直观的印象，也对所学内容记忆深刻；而中文教材则不太重视这块内容，它强调的是学生的现解能力，给学生最深的印象是，用公式来说明问题，用公式来解决问题。给出严谨而简约的公式推导，得出一个结论，然后在一个复杂的图例中讲解这个复杂过程所涵盖的所有内容。与英文教材相比，图例也不是为了说明一个问题，而是要说明一个过程。在中文教材的图例中，很多情况下，包含信息量很多，所以建议初学者如果条件允许的话，使用外文教材比较容易理解一些最基础的原理。如果有一定基础的人员学习相关内容的教材，我

15、认为则没有太大的分别，如果说有，就是两种教材对激光原理一些主要概念和激光主要构件的讲解顺序的不同。2.3 总体框架上的区别虽然在两本教材当中，对激光主要原理和设计方法都给出了详细的介绍，同时也对激光器件的发展和现状给出了相当多的讲解，但是这两本书在总体框架上还是有明显区别，这对于不同层次和不同工作环境的读者有着不同的作用效果。清华大学周炳琨等老师编著的激光原理一书从激光的基本原理开始介绍，其中讲述了光子的特性以及光的一些激发原理特性，然后讲述了谐振腔的基本原理和各类型谐振腔的性质特征，同时还叙述了激光的高斯光束的参数与腔的关系。接着在第三章中以电介质为例开始，讲述了光和物质的相互作用的经典理论

16、谱线加宽和线型函数的关系，在这一章节中还对展宽的线型进行解释。从第四章开始才对激光的工作特性进行讲解，在这一章节中，讲述了激光工作中的振荡模式和频率牵引的内容。第五章对激光优化和改善方面进行讲述，主要讲述调Q激光放大和锁模等主要的激光优化方法。在后面的第六、七、八章节中，介绍了几个主要激光器以及半异体激光器的结构、工作特性以及激光振荡的半经典理论。该书介绍了1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生的巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。特别是近十几年来,半导体激光器的发展更为迅速,已成为世界上发展最快的一门激光技术。半导体激光

17、器从最初的低温(77K)下运转发展到室温下连续工作。由小功率型向高功率型转变,输出功率由几mW提高到kW级(阵列器件)。激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱(单、多量子阱)等270余种形式。制作方法从扩散法发展到液相外延(LPE)、气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、金属有机化合物气相淀积(MOCVD)、化学束外延(CBE)以及它们的各种结合型等多种工艺。美国是半导体激光器泵浦技术开发应用较早、进展最快的国家。西门子公司早在19881989年就提供了高功率半导体激光器系列产品用作泵浦光源,目前国外用半导体激光器叠层阵列泵浦Nd:YAG激光器,输出功率达到1000W,预示着

18、工业和国防应用的半导体激光泵浦技术将产生巨大变革。利用半导体激光器泵浦Nd:YAG(0946m),Nd:YAG(106m), Nd:YVO4(13m),Nd:YAG(13m),Nd:BEL(LaBe2O3)(107m),Ho:YAG(21m),Er:YLF(23m),Nd:玻璃(106m)和Er:玻璃(13m,15m),近年来都有许多报道,有些已经商品化。这是中文激光教材中相对具有代表性的一本，其结构体系与William T.Silfvast所编写的激光基础有着很多不同。激光基础一书从激光的简明定义开始，说明了激光的光谱和波长特性及发展简史，接着从麦克斯韦波动方程引入对光的属介绍，讲述了横向电

19、磁波和偏振光、电磁场能流、点源辐射、电偶极子辐射等内容，最后才讲到光的相干性的特性。第三章，它以氢原子的结构特征的介绍引入介绍原子能级的量子理论，同时也介绍了原子的角动量和单原子的能级结构特征。第四章从迁辐射和发射线宽理论开始，讲到了自发辐射的展宽和谱线宽度、辐射展宽过程、原子辐射面的量子力学等方面的内容。第五章的气体、液体和固体的辐射特性和能级一章讲述了分子能级与扩展。第六章介绍了物质的辐射和热力的均衡吸收和受激辐射热力均衡、传导和对流的热力均衡等方面的内容，同时也讲述了腔辐射和受激与吸收辐射两方面激光原理中至关重要的内容。在第七章里本书讲述了产生激光的条件粒子反转数、增益、增益饱合度的内容

20、，其中的吸收和增益、粒子反转、饱和度、激光束的放大都给予了详细和全面的介绍。饱和度之外的激光束生长和稳定状态激光的强度的内容则是在第八章进行解释的，同时提到了激光放大器的原理和作用。第九章讲述了粒子反转的要求和禁带的内容。第十章讲述了激光泵浦要求和常用技术。第十一章讲述了激光腔的几种形式，着重讲述了腔对横模的影响因素，顺带还提及了激光腔模的各种性质。十二章讲述了高斯光束的性质及放大原理。十三章讲述了一些特殊谐振腔的基本原理和调Q锁模技术，同时还提到特殊激光器里的环形激光器的原理和性质，最后提及了激光器的波导技术。在最后的十四、十五、十六章举例原子气体激光器、固体激光器、掺杂激光器、半导体激光器

21、的设计方法和原理及性能介绍，在十六章还提到了光学的非线性效应和技术原理。该书的整体框架结构与中文同类书籍有着明显的不同，总的说就是比中文书更详细更基础，虽然这让国内读者觉得有些罗嗦，但其教学方法和讲述内容很丰富，特别对刚开始从事这门研究的人员或低年级的学员学习这门课时不会有手足无措的感觉。虽然细读两本书，都能对激光这门学科有很大的提高作用，但面对广大读者，因人而异有针对性地选择更适合自己的参考书籍，还是很有必要的。这是对这两本书通读后的一些认识和归纳，但由于这仅是自身接触过一些类似的课程的个人经验和体会，所以在认识上可能会有所偏见或不全面的地方，请看过此讨论的人给予批评和理解。参考文献1O.S

22、velto, Principles of Lasers， New York : Plenum Press, 1998.2W.T.Silfvast , Laser Fundamentals， Cambridge University Press, 2004. 3A.E.Siegman ,Lasers，University Science Books, 1986.4周炳琨，激光原理， 国防工业出版社，2000.5魏彪 盛新志，激光原理及应用， 重庆大学出版社，2007.6伍长征等，激光物理学， 复旦大学出版社，1989.附. 激光基础的详细目录目录1 引言概述引言激光的定义激光的简易说明激光的特性

23、激光光谱和波长激光简史全书总括第一部分 光的基本波动性质2 光的波属性光与物质的相互作用概述2.1 麦克斯韦方程2.2 麦克斯韦波动方程 真空中的麦克斯韦波动方程 常规波动方程的解光和电磁辐射的等价 波速相速度和群速度 波动方程的普遍解 横向电磁波和偏振光 电磁场能流 点源辐射（电偶极子辐射）2.3 电磁场辐射（光）与物质的相互作用 介质中的光速 介质中的麦克斯韦方程 麦克斯韦方程在电介质中的应用激光增益媒质 折射的复合折射率光学连续 吸收和散射 物质微粒密度评估在散射方程中的运用2.4 相干性 时间相干性 空间相干性第二部分 光的基本量子性质3 光的粒子属性量子化的能级3.1 氢原子的波尔理

24、论 量化能级概念的历史发展 氢原子能级系统 谱线的频率和波长 离子的电离能量和能级 光子3.2 原子能级的量子理论 粒子的波动属性 海森伯不确定性原理波动理论波动函数量子态薛定谔波动方程氢原子基态的能量和波动函数氢的激发态氢原子波动函数的允许量子数3.3 原子的角动量 轨道角动量 旋转角动量 总角动量3.4 单电子原子的能级 谱线的精细结构 泡利不相容原理3.5 元素周期表 多电子的相关量子条件 多电子原子的电子结构的简化符号3.6 单电子原子的能级 多电子态的能级指定罗素桑德或双赫曼能级系统双电子不饱合电子层的能级系统S、L和LS耦合原理简并度和统计权重j-j耦合等电子体标准4跃迁辐射和发射

25、线宽概述4.1辐射跃迁单原子自发发射跃迁辐射自发辐射的转换效率电子的辐射寿命把电子作为一个调谐振子不发光的衰减跃迁碰撞衰减4.2自发辐射的展宽和谱线宽度电子的经典辐射谱线量子力学分析自发辐射谱线（最小线型）4.3几种辐射展宽过程非辐射衰减展宽相移碰撞展宽非均匀展宽气体中的多普勒展宽气体中同位素漂移展宽几种辐射展宽的比较4.4原子辐射面的量子力学电偶极子的辐射电偶极子的矩阵元素电偶极子的转变能力振子强度末满充的单电子原子辐射的选择定择多电子末满充原子的辐射跃迁选择定择同位选择定则无效跃迁辐射电四极矩和其它高序辐射5气体、液体和固体的辐射特性和能级5.1 分子能级与扩展 气体分子能级 气体特性简介

26、 线性气体转动能级 气态对称陀螺的转动能级 转动跃迁的选择定则 振动能级 振动跃迁的选择定则 转动振动的跃迁 转动和振动跃迁的概率 气态的电子能级 电子跃迁和相关的气态选择定则 气态跃迁的辐射谱宽 弗兰克康德定则 激态原子的能级液态能级和它们的辐射特性 染料分子的结构染料分子的能级染料分子的激发和辐射染料分子的不利三重态固态能级电介质激光材料主体材料激光器的种类掺杂离子窄谱宽的激光器材料宽带可调谐的激光器材料固态激光器的展宽机理固态激光器的能级半导体激光材料晶体的能带能级的周期性结构导体，绝缘体和半导体的能级受激能级的激发和延迟复合激发半导体直接和间接带隙半导体的电子分布函数和密度状态半导体材

27、料本征半导体材料的外在特性掺杂P-n结基于电子激发的复合激发异质结半导体材料量子阱带隙能的变化与合金材料的辐射波长复合受激跃迁的概率和带宽参考文献问题6辐射和热力的均衡吸收和受激辐射6.1 均衡 热力均衡 传导和对流的热力均衡 辐射的热力均衡6.2辐射体 斯特藩-玻尔兹曼定律 维恩定律 辐照度与辐射率6.3腔辐射 共振腔模式的数量 瑞利博朗格公式 空强辐射的普朗克定则 空强辐射和黑体辐射的关系 黑体发射的波长依赖性6.4吸收和受激辐射 平衡准则 吸收和受激辐射系数产生激光的条件群，反转，增益和增益饱和度第三部分激光放大7产生激光的条件粒子反转数、增益、增益饱合度7.1 吸收和增益 基于均匀扩展

28、辐射跃迁的吸收和增益（洛伦兹频率分布） 截面均匀展宽的增益系数和受激辐射 基于非均匀展宽受激辐射的吸收和增益（高斯分布的多普勒展宽） 多普勒展宽的截面增益系数和受激辐射 统计权重和增益方程 对于吸收系数和吸收截面的增益系数和受激辐射截面关系7.2粒子反转（激光的必要条件）7.3饱和度（激光的充分条件）7.4激光束的放大均匀展宽增益介质的激光生长放大介质的形态和几何构型多普勒展宽的光束生长7.5指数生长因子（增益）7.6激光的阈值无反射镜激光单反射镜激光双反射镜激光8超越阈值的激光振荡8.1 激光增益饱和度受激辐射激光能级的速率方程当前光束高能级和低能级的群密度超越阈值的激光增益饱和度饱和度之外

29、的激光束生长指数增长到线性增长的改变稳定状态激光的强度激光输出的优化镜像传输的优化激光输出强度的优化激光输出功率优化的评价高能级群和激光光子能量的改变光学谐振腔内激光束时间的延迟基本的光学谐振腔的速率方程低于阈值的稳定态解决方法超越阈值的稳定态操作激光输出的波动激光尖峰弛豫振荡激光放大器基本放大器的使用通过放大器的高功率，短脉冲光的传输能量饱和度积分通量放大长脉冲放大短脉冲基于基本饱和极限的有效激光放大器对比镜像序列和谐振腔（再生）放大器9粒子反转的要求9.1 粒子反转和双能级系统9.2相对衰减比率碰撞辐射9.3三、四能级的稳态转换三能级系统中的中间能级带三能级系统的高能级带四能级系统9.4瞬

30、态粒子反转9.5禁带原子和离子的辐射吸收原子和离子的电子碰撞的热化气体激光器中辐射吸收和电子碰撞的热化的比较增益介质中的吸收10激光的泵浦要求和技术10.1激发或泵浦阈值的要求10.2泵浦的方法直接泵浦间接泵浦特殊的泵浦过程10.3 泵浦的几何构造要求简单的光学泵浦的近似粒子反转的激发端面泵浦二级管泵浦固态激光光泵浦激光增益介质的描述（斜效率）10.4用粒子泵浦进行特殊参量激发电子碰撞激发重粒子泵浦气体放电中特殊能级的电子辐射率半导体的电泵浦第四部分激光谐振腔11激光腔模式111介绍112纵模的腔模式法布里-珀罗共掁腔法布里-珀罗模式纵模激光腔模式纵模数纵模激光器的要求11.3横模激光腔模式菲涅耳基尔霍夫衍射组合公式平行平面腔的横模发展非平面镜的横模横模的空间分布横模频率谐振腔内横模的高斯分布11.4激光模式的性质模的性质增益介质侧方向模式的影响12稳定激光共振和高斯光束12.1稳态非面腔非平面腔ABCD矩阵12.2高斯光束的特性高斯光束的放大双反射镜揩掁腔的高斯光束性质特殊的双反射镜揩掁腔性质赫迈特高斯模的模体积12.3激光光束的性质12.4利用ABCD矩阵复合光束参量来推