Laser Principles 2nd Edition (Sheng Xinzhi Lou Shuqin)

\"Laser Principles (2nd Edition)\" This book mainly explains the basic working principles of lasers and the theories of related phenomena. The content mainly includes the classical theory of the interaction between light and matter, the theory of optical resonant cavity, the theory of laser rate equations, and the analysis theory of the working characteristics of continuous lasers. This book is equipped with complete electronic teaching plans and study guides. This book can be used as a textbook for laser principle courses in colleges and universities, and can also be used as a reference book for researchers, technicians engaged in laser work, and graduate students in related majors in colleges and universities. Chapter 1 Introduction 1.1 History of the birth of laser 1.2 Essential characteristics of laser 1.2.1 Coherent wave analysis 1.2.2 Coherent photon analysis 1.2.3 Light wave mode 1.3 Photon degeneracy 1.3.1 Number of light wave modes 1.3.2 Photon degeneracy 1.3.3 Light source brightness 1.4 Basic conditions for laser generation Thinking and exercises Chapter 2 Near-resonant interaction between light and matter 2.1 Classical explanation of electromagnetic wave absorption and emission 2.1.1 Dielectric polarization 2.1.2 Electric dipole oscillator model 2.1.3 Effect of absorption on medium 2.2 Phenomenological theory of electromagnetic wave absorption and emission 2.2.1 Spontaneous radiation 2.2.2 Stimulated absorption 2.2.3 Stimulated radiation 2. 2.4 Problems in achieving optical amplification 2.3 Spectral line broadening 2.3.1 Absorption and emission spectroscopy techniques 2.3.2 Spectral line broadening and line shape function 2.3.3 Effect of spectral line broadening on transition rate 2.4 Common spectral line broadening in lasers 2.4.1 Types of spectral line broadening 2.4.2 Typical mechanisms of uniform broadening 2.4.3 Typical mechanisms of non-uniform broadening 2.4.4 Actual broadening in laser media 2.5 Modern theories of the interaction between light and matter 2.5.1 Quantum theory 2.5.2 Semiclassical theory 2.5.3 Rate equation theory Reflections and exercises Chapter 3 Rate equation theory 3.1 Working energy levels of typical lasers 3.1.1 Ruby laser working medium 3 3.1.2 Erbium-doped fiber laser amplifier working medium 3.1.3 Argon ion laser working medium 3.1.4 N2 molecular laser 3.1.5 HeNe laser working medium 3.1.6 Nd+3-doped laser working medium 3.1.7 Ti:sapphire laser working medium 3.1.8 CO2 laser working medium 3.1.9 Semiconductor laser working medium 3.2 Rate equations for three-level system 3.2.1 Laser three-level system 3.2.2 Rate equations 3.3 Rate equations for four-level system 3.3.1 Laser four-level system 3.3.2 Rate equations 3.4 Medium gain of small signal light 3.4.1 Inversion number and small signal gain coefficient 3.4.2 Small signal gain coefficient of four-level system 3.4.3 Small signal gain coefficient of three-level system 3.5 Gain saturation of uniformly broadened medium 3.5.1 Inversion population of large signal 3.5.2 Large signal gain coefficient 3.5.3 Uniform saturation of gain curve 3.5.4 Dispersion of gain medium 3.6 Gain saturation of inhomogeneous broadened medium 3.6.1 Large signal gain coefficient 3.6.2 Hole burning phenomenon of gain curve 3.6.3 Hole burning phenomenon in gas laser 3.6.4 Gain coefficient of comprehensive broadening working material 3.7 Optical amplification 3.7.1 Spontaneous radiation amplification 3.7.2 Intensity and directionality of superradiance 3.7.3 ASE line width 3.7.4 Laser Optical Amplifier Thinking and Exercises Chapter 4 Optical Resonant Cavity Theory 4.1 Stability of Optical Resonant Cavity 4.1.1 Structure, Classification and Function of Optical Resonant Cavity 4.1.2 Light Transfer Matrix and ABCD Law 4.1.3 Light Transfer Matrix Analysis of Resonant Cavity Stability 4.1.4 Stability of Different Types of Resonant Cavities 4.2 Modes of Optical Resonant Cavity 4.2.1 Losses of Resonant Cavity 4.2.2 Introduction to Resonant Cavity Modes 4.2.3 Introduction to DFB Laser Modes 4.3 Diffraction Integral Theory of Optical Resonant Cavity 4.3.1 Huygens-Fresnel Principle and Kirchhoff Diffraction Integral 4.3.2 Eigenvalue Equation of Resonant Cavity Self-Existing Mode Integral 4.3.3 Physical Meaning of Eigenvalue γ 4.4 FoxLi numerical iteration method for parallel plane cavity 4.4.1 Integral eigenvalue equation of parallel plane mirror symmetric resonant cavity 4.4.2 FoxLi numerical iteration method 4.4.3 Significance of FoxLi numerical iteration method 4.5 Analytical solution of spherical mirror symmetric confocal cavity 4.5.1 Mode of square spherical mirror symmetric confocal cavity 4.5.2 Traveling wave field of square spherical mirror symmetric confocal cavity 4.5.3 Circular spherical mirror symmetric confocal cavity 4.6 Equivalent symmetric confocal cavity of spherical mirror stabilized cavity 4.6.1 Equivalent cavity of symmetric confocal cavity 4.6.2 Equivalent symmetric confocal cavity of spherical mirror stabilized cavity 4.7 Gaussian beam transformation 4.7.1 Basic characteristics of Gaussian beam 4.7.2 Gaussian beam 4.7.3 Transformation law of complex parameter q4.7.4 Transformation law of Gaussian beam thin lens4.7.5 Detection of beam divergence angle in far field4.7.6 Mode matching of Gaussian beam4.7.7 Focusing of Gaussian beam4.7.8 Collimation of Gaussian beamReflections and exercisesChapter 5 Operating characteristics of continuous lasers5.1 Rate equation of uniformly broadened medium laser5.1.1 Rate equation of single-mode operation of laser5.1.2 Rate equation of multi-mode operation of laser5.2 Laser oscillation threshold5.2.1 Oscillation threshold condition5.2.2 Threshold pump power density of four-level system5.2.3 Threshold pump power density of three-level system5.3 Uniformly broadened medium Longitudinal mode oscillation and competition in lasers 5.3.1 Number of longitudinal modes 5.3.2 Single-mode oscillation in uniformly broadened medium lasers 5.3.3 Oscillation frequency pulling 5.3.4 Spatial hole burning 5.4 Multi-longitudinal mode oscillation in inhomogeneous broadened medium lasers 5.4.1 Multi-mode oscillation 5.4.2 Lamb dip 5.4.3 Mode competition in inhomogeneous broadened medium 5.5 Output characteristics of continuous lasers 5.5.1 Linewidth limit of single-mode lasers 5.5.2 Output power of uniformly broadened single-mode steady-state operation 5.5.3 Optimization of output coupling ratio 5.5.4 Output power of inhomogeneous broadened single-mode steady-state operation Reflections and exercises Appendix A Table of common physical constants Appendix B Important events in the field of lasers References