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第1章 激光基本原理及特性1

1.1激光的基本特性2

1.1.1激光的方向性2

1.1.2激光的亮度2

1.1.3激光的相干性3

1.2光的受激辐射和光放大5

1.2.1原子能级和能级宽度6

1.2.2黑体辐射的普朗克公式7

1.2.3光与物质的共振相互作用8

1.2.4粒子数反转分布与光放大10

1.2.5激光介质的增益系数与增益曲线11

1.3激光能级系统和激光振荡条件12

1.3.1激光能级系统12

1.3.2光的自激振荡13

1.3.3激光振荡条件14

1.4谱线加宽和线型函数15

1.4.1概述15

1.4.2光谱线加宽类型及机理17

1.5光学谐振腔和激光模式22

1.5.1光腔的构成和分类22

1.5.2共轴球面腔的稳定性条件23

1.5.3激光模式25

1.5.4光腔的损耗和品质因数28

1.6基模高斯光束及其聚焦和准直30

1.6.1基模高斯光束及其基本特性31

1.6.2薄透镜对基模高斯光束的变换33

1.6.3基模高斯光束的聚焦34

1.6.4基模高斯光束的准直36

1.7激光介质的增益饱和38

1.7.1四能级激光系统的速率方程组38

1.7.2均匀加宽激光介质的增益饱和39

1.7.3非均匀加宽激光介质的增益饱和及烧孔效应43

1.8连续波单模激光器的输出功率45

1.8.1激光振荡的阈值条件46

1.8.2均匀加宽单模激光器的输出功率及最佳透射率46

1.8.3非均匀加宽单模激光器的输出功率48

习题与思考题49

第2章 常用激光技术和激光器51

2.1激光调制技术51

2.1.1激光调制的基本概念51

2.1.2电光调制技术52

2.1.3声光调制技术57

2.1.4磁光调制技术62

2.1.5直接调制技术63

2.2激光调Q技术64

2.2.1调Q激光器的振荡阈值65

2.2.2调Q激光器的工作原理66

2.2.3调Q方法与技术66

2.3激光模式选择技术70

2.3.1概述70

2.3.2激光横模选择原理、方法与技术70

2.3.3激光纵模选择原理、方法与技术72

2.4激光频率稳定技术77

2.4.1频率稳定性及再现性77

2.4.2影响频率稳定性的主要因素及简单稳频措施78

2.4.3主动稳频技术79

2.5 He-Ne激光器85

2.5.1 He-Ne激光器结构及分类85

2.5.2 He-Ne激光器工作原理86

2.5.3 He-Ne激光器最佳工作条件88

2.6全固态激光器89

2.6.1概述89

2.6.2端面泵浦全固态激光器系统组成90

2.6.3常用端面泵浦全固态激光器92

2.6.4单频全固态激光器95

2.7光纤激光器99

2.7.1概述99

2.7.2谐振腔结构及特点101

2.7.3掺饵光纤的基本特性102

2.7.4光纤光栅的基本知识103

2.7.5光纤光栅DBR和DFB掺饵光纤激光器105

2.7.6基于饱和吸收体选模原理的单纵模掺饵光纤激光器106

2.8半导体激光器109

2.8.1半导体与PN结的能带结构109

2.8.2半导体激光器的工作原理和阈值条件112

2.8.3半导体激光器的常用结构114

2.8.4半导体激光器的主要工作特性117

习题与思考题118

第3章 双频激光器和激光传感器120

3.1双频激光器概述120

3.1.1双频激光器的含义及分类120

3.1.2双频激光的产生原理及方法121

3.2双纵模激光器和塞曼双频激光器121

3.2.1双纵模激光器121

3.2.2塞曼双频激光器122

3.3基于双折射效应的激光纵模分裂原理及方法126

3.3.1双折射效应简介126

3.3.2激光纵模分裂现象及其产生原理129

3.3.3基于自然双折射效应的Nd ： YAG激光纵模分裂方法131

3.4双折射双频He-Ne激光器135

3.4.1频差可调谐双折射双频He-Ne激光器135

3.4.2定常频差双折射双频He-Ne激光器137

3.5双折射双频固体激光器138

3.5.1自然双折射双频Nd ： YAG激光器138

3.5.2电光双折射双频Nd： YAG激光器142

3.5.3热光双折射双频饵镱玻璃激光器144

3.5.4应力双折射双频Nd： YAG激光器146

3.6双轴和双腔双频激光器148

3.6.1可调谐双轴双频Nd ： YAG激光器148

3.6.2 THz频差可调谐双轴双频Yb： KGW激光器150

3.6.3双腔双频Nd ： YAG激光器151

3.6.4双腔双频He-Ne激光器154

3.7双频光纤激光器155

3.7.1保偏光纤Bragg光栅的主要特性155

3.7.2饱和吸收体选模双波长单纵模掺饵光纤激光器157

3.7.3 DBR型双波长单纵模掺镱光纤激光器161

3.7.4应力双折射双频DBR光纤激光器162

3.7.5可调谐双腔双波长单纵模掺饵光纤激光器164

3.8激光传感器166

3.8.1激光传感器概述166

3.8.2气体激光传感器167

3.8.3固体激光传感器168

3.8.4光纤激光传感器170

3.9激光陀螺172

3.9.1 Sagnac效应和环形激光陀螺173

3.9.2环形激光陀螺基本结构174

3.9.3典型环形激光陀螺175

3.9.4环形激光陀螺信号读出方法179

习题与思考题180

第4章 激光干涉测量181

4.1光的干涉现象181

4.1.1两列光波的叠加及干涉现象181

4.1.2光拍现象185

4.2激光干涉测量原理与系统186

4.2.1激光干涉测量原理186

4.2.2迈克耳孙干涉仪186

4.2.3马赫-曾德尔干涉仪188

4.2.4泰曼-格林干涉仪191

4.2.5法布里-珀罗干涉仪193

4.3激光外差干涉测量196

4.3.1塞曼双频激光干涉仪197

4.3.2声光外差式激光干涉仪199

4.3.3激光超外差干涉测量201

4.4激光合成波干涉测量202

4.4.1合成波干涉绝对距离测量原理202

4.4.2双频激光合成波纳米测量干涉仪205

4.5激光调频波干涉测量206

4.5.1调频连续波干涉206

4.5.2半导体激光器线性调频连续波绝对距离干涉测量207

4.5.3半导体激光器正弦调频连续波纳米测量干涉仪209

4.6激光干涉探针测量209

4.6.1表面形貌两维评定参数210

4.6.2干涉测量方法212

习题与思考题215

第5章 激光自混合干涉测量216

5.1激光自混合干涉现象及测量系统组成216

5.1.1激光自混合干涉现象216

5.1.2三镜腔模型及理论分析216

5.1.3影响自混合干涉条纹特性的几个参数218

5.1.4激光自混合干涉测量系统组成221

5.2常用激光器的自混合干涉特性222

5.2.1 He-Ne激光器自混合干涉特性222

5.2.2 Nd： YACG激光器自混合干涉特性223

5.2.3半导体激光器自混合干涉特性223

5.3激光自混合干涉绝对距离测量225

5.3.1半导体激光器自混合干涉绝对距离测量225

5.3.2全固态激光器自混合干涉绝对距离测量226

5.3.3光纤激光器自混合干涉绝对距离测量227

5.4激光自混合干涉位移和振动测量229

5.4.1双折射双频He-Ne激光器自混合干涉位移测量229

5.4.2半导体激光器自混合干涉位移测量230

5.4.3全固态激光器自混合干涉位移和振动测量233

5.4.4全光纤半导体激光器自混合干涉位移和振动测量235

5.5激光自混合干涉速度测量236

5.5.1半导体激光器自混合散斑干涉流体速度测量236

5.5.2 DFB-LD自混合散斑干涉速度测量238

5.5.3双频Nd： YAG激光器自混合干涉速度测量239

习题与思考题240

第6章 激光衍射测量241

6.1光的衍射基本原理241

6.1.1菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式及其近似处理241

6.1.2巴比涅原理244

6.2激光衍射测量原理244

6.2.1夫琅禾费衍射244

6.2.2激光衍射测量原理248

6.3激光衍射测量方法及应用250

6.3.1激光衍射间隙测量法及应用251

6.3.2激光反射衍射测量法及应用253

6.3.3激光衍射分离间隙测量法及应用254

6.3.4激光衍射互补测量法及应用256

6.3.5激光衍射艾里斑测量法及应用257

习题与思考题257

第7章 激光全息干涉测量258

7.1光学全息术及其基本原理258

7.1.1概述258

7.1.2全息图的记录和再现258

7.1.3全息图的种类261

7.2全息干涉测量原理261

7.2.1全息干涉测量的特点261

7.2.2全息干涉测量原理261

7.3全息干涉测量方法262

7.3.1二次曝光法262

7.3.2单次曝光法265

7.3.3时间平均法266

7.4激光全息干涉测量的应用267

7.4.1全息光栅位移测量267

7.4.2长度比较测量270

7.4.3光学玻璃均匀性测量271

习题与思考题272

第8章 激光准直测量273

8.1概述273

8.1.1激光准直测量基本原理273

8.1.2激光准直测量系统组成279

8.2激光直线度测量285

8.2.1直线度测量概述285

8.2.2激光直线度测量286

8.2.3直线度测量误差分析289

8.3激光多自由度准直测量291

8.3.1滚转角测量292

8.3.2四自由度同时测量293

8.3.3五自由度同时测量296

8.3.4六自由度同时测量297

8.4激光扫平仪297

8.4.1概述297

8.4.2激光扫平仪工作原理及系统组成298

习题与思考题300

第9章 激光测距与激光雷达探测301

9.1激光测距仪概述301

9.1.1激光测距仪的特点及分类301

9.1.2激光测距仪的主要技术指标302

9.1.3激光测距系统组成302

9.2脉冲式激光测距303

9.2.1脉冲式激光测距原理303

9.2.2时间间隔测量303

9.2.3卫星激光测距304

9.3相位式激光测距305

9.3.1相位式激光测距原理305

9.3.2双频率法相位测距原理305

9.4激光雷达概述306

9.4.1激光雷达大气探测的物理基础306

9.4.2激光雷达的分类307

9.5激光雷达大气探测原理及方法308

9.5.1激光雷达的基本原理308

9.5.2激光雷达方程309

9.5.3激光雷达方程的解309

9.6多普勒激光雷达大气风场探测312

9.6.1激光多普勒测风雷达原理及分类313

9.6.2相干多普勒测风激光雷达313

9.6.3非相干多普勒测风激光雷达314

9.7米散射激光雷达及气溶胶探测317

9.7.1大气气溶胶317

9.7.2米散射激光雷达系统组成317

9.8激光雷达大气温度探测320

9.8.1瑞利散射激光雷达大气温度探测原理320

9.8.2转动拉曼散射激光雷达大气温度探测原理321

习题与思考题323

第10章 光纤传感与测量324

10.1概述324

10.1.1光纤传感与测量原理324

10.1.2光纤传感与测量的分类324

10.1.3光纤传感与测量的特点324

10.2光在波导介质中传输的基本理论325

10.2.1平板波导介质中的光波模式325

10.2.2光在光纤中的传输规律327

10.3光纤传感与测量方法330

10.3.1光强调制型光纤传感器330

10.3.2相位调制型光纤传感器332

10.3.3偏振调制型光纤传感器336

10.3.4波长调制型光纤传感器337

10.4复用式和分布式光纤传感与测量系统339

10.4.1复用式光纤传感与测量系统339

10.4.2分布式光纤传感与测量系统340

10.5光纤传感与测量的应用341

10.5.1压力传感与测量342

10.5.2温度传感与测量346

10.6光纤陀螺348

10.6.1光纤陀螺的工作原理和基本结构348

10.6.2开环光纤陀螺349

10.6.3闭环光纤陀螺351

习题与思考题352

参考文献353