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目录1

第1章　激光光束1

1.1　电磁场理论基础1

1.1.1　电磁场的波动方程1

1.1.2　标量衍射理论2

1.1.3　模式密度5

1.2　几何光学基础6

1.2.1　程函方程6

1.2.2　光线传播的矩阵表达式8

1.2.3　Collins公式9

1.3.1　亥姆霍茨方程11

1.3　基横模高斯光束及其在自由空间中的传输11

1.3.2　均匀介质中的基横模高斯光束12

1.3.3　类透镜介质中的高斯光束15

1.4　基横模高斯光束变换的ABCD定律16

1.5　高阶厄米-高斯光束光束质量因子19

习题24

第2章　谐振腔理论25

2.1　谐振腔本征模式的概念25

2.1.1　本征模式与自再现变换25

2.1.2　稳定谐振腔本征模式的横模与纵模26

2.1.3　开式谐振腔本征模式的基本概念27

2.2.2　谐振腔的稳定性条件29

2.2　谐振腔的特征29

2.2.1　谐振腔往返一周的变换矩阵29

2.2.3　光学谐振腔的损耗30

2.3　光学谐振腔的衍射理论32

2.3.1　开腔模的衍射理论33

2.3.2　方形反射镜共焦腔中自再现模式的近似解35

2.4　本征模式的几何光学理论稳定腔37

2.4.1　谐振腔往返一周变换矩阵的本征态37

2.4.2　稳定谐振腔38

2.4.3　稳定两镜腔本征模式的主要结果39

2.5.1　非稳定腔的本征方程40

2.5　非稳定腔与临界腔的几何光学理论40

2.5.2　几何自再现波型的损耗42

习题44

第3章 场与物质相互作用的速率方程理论45

3.1　受激辐射受激吸收 自发辐射45

3.1.1　黑体辐射的普朗克公式45

3.1.2　辐射场和两能级原子之间的相互作用45

3.1.3　爱因斯坦关系式46

3.2　谱线加宽机制和线型函数47

3.2.1 均匀加宽48

3.2.2　非均匀加宽49

3.2.3　综合加宽51

3.3　速率方程52

3.3.1　跃迁速率53

3.3.2　速率方程组54

3.4　连续工作状态下的增益系数及增益饱和56

3.4.1　均匀加宽增益系数57

3.4.2　多普勒加宽介质的增益系数59

3.4.3　综合加宽增益系数61

3.5　激光器的工作特性61

3.5.1　激光器的振荡阈值61

3.5.2　激光器的振荡模式62

3.5.3　激光器的输出功率和输出能量64

3.5.4　驰豫振荡66

3.5.5　单模激光的线宽极限67

3.5.6　频率牵引68

习题69

第4章 半导体中辐射场与物质的相互作用70

4.1　晶体结构和能带70

4.1.1 晶体结构70

4.1.2　能带的形成70

4.1.3　直接带隙与间接带隙71

4.2　半导体内的跃迁72

4.2.1　半导体内跃迁的过程72

4.2.2　半导体内量子跃迁的特点73

4.3.2　光子按能量的分布74

4.3　光子密度与能量分布函数74

4.3.1　光子状态分布74

4.4　跃迁速率与爱因斯坦关系75

4.4.1 自发光发射跃迁76

4.4.2　受激光发射跃迁76

4.4.3　受激光吸收跃迁77

4.4.4　爱因斯坦关系77

4.5 自发发射、受激发射与受激吸收间的关系78

4.5.1　净受激发射速率78

4.5.2　吸收系数78

4.5.3 自发发射速率与吸收系数的关系78

4.5.5　半导体中总的受激发射速率79

4.5.4 自发发射速率与受激发射速率的关系79

4.6　半导体中的载流子复合81

4.6.1　辐射复合81

4.6.2　非辐射复合82

习题85

第5章 场与物质相互作用的半经典理论86

5.1　量子力学的基本概念86

5.2　电偶极矩近似90

5.2.1　量子电偶极矩90

5.2.2　电偶极矩近似91

5.3.1　单色场的情况93

5.3　辐射场对原子的作用93

5.2.3　其他近似93

5.3.2　黑体辐射场的情况96

5.4　单色场对有衰减的二能级原子系统的作用97

5.5　拉比强信号解100

5.6　偶极矩的运动方程102

习题103

第6章 密度矩阵与自洽场理论105

6.1　密度算符与密度矩阵105

6.1.1　算符的矩阵表达式105

6.1.2　密度算符106

6.1.3　统计混合状态下密度算符的推广108

6.1.4　密度矩阵元的意义109

6.2　密度矩阵的运动方程110

6.3　激光场的振荡方程113

6.3.1　激光振荡条件113

6.3.2　激光振荡的自洽场方程115

习题119

第7章 静止原子激光器的振荡理论120

7.1 单模振荡120

7.1.1　集居数矩阵的运动方程120

7.1.2　单模振荡的一阶近似理论120

7.1.3　单模振荡的三阶近似理论122

7.2.1　多模时的激光振荡方程125

7.2　多模振荡 模式竞争与锁定125

7.2.2　二模振荡及模竞争128

7.2.3　三模振荡与模式锁定129

习题　131

第8章 场与物质的相干相互作用132

8.1　相干相互作用的数学描述132

8.1.1　相干相互作用的矢量表示132

8.1.2　旋转坐标系下的光学布洛赫方程136

8.2　光学章动现象137

8.3　麦克斯韦-布洛赫方程142

8.4　光子回波146

8.5.1　超辐射的经典理论148

8.5　超辐射148

8.5.2　超辐射的半经典理论151

8.6　面积定理与自感应透明现象153

8.7　麦克斯韦-布洛赫方程组成的稳态解——自感应透明158

8.7.1　共振情况下的解159

8.7.2　非共振情况下的解160

习题162

第9章　场的量子化及其状态的描述163

9.1　一维谐振子的量子化163

9.1.1　产生算符与湮灭算符163

9.1.2　能量本征值164

9.1.3　能量本征态165

9.2　电磁场的量子化166

9.2.1 电磁场的正则模式展开166

9.2.2　电磁场的量子化168

9.2.3　平面电磁波的量子化169

9.2.4　量子化电磁场的性质170

9.3　单模位相态与单模光子数态171

9.3.1　位相算符及位相态的引入171

9.3.2　位相算符的本征态——位相态173

9.3.3　单模光子数态的性质174

9.3.4　单模位相态的性质175

9.4.1　相干态的引入176

9.4　相干态176

9.4.2　相干态｜α〉的性质177

9.4.3　态矢与算符按相干态的展开180

习题181

第10章 场与物质相互作用的量子理论183

10.1　量子力学中的三种图像183

10.1.1　薛定谔图像183

10.1.2　海森堡图像184

10.1.3　相互作用图像185

10.2　辐射场与原子的相互作用186

10.2.1　薛定谔图像下系统的哈密顿算符186

10.2.2　相互作用图像下的相互作用能187

10.3　原子发射及吸收的跃迁几率189

10.4　原子光辐射的谱线宽度192

10.5　激光器的库——密度算符方法194

10.5.1　场与原子密度算符的运动方程195

10.5.2　辐射场的约化密度算符195

10.5.3　ρFA的求解196

10.5.4　相互作用图像下约化密度算符运动方程197

10.5.5　光子数表象下辐射场密度矩阵元运动方程198

10.6　激光的光子统计200

10.7　激光线宽204

习题206

11.1　相干性的基本概念207

第11章　相干性207

11.2　一阶相干性209

11.2.1　实多色场的复数表示法209

11.2.2　一阶相干函数及复相干度210

11.2.3　频谱密度函数214

11.3　二阶相干性及高阶相干性215

11.4　相干性的量子理论218

11.4.1　电场强度算符218

11.4.2　相干函数及相干度220

11.4.3　几种场的相干度221

习题221

参考文献222