关于国外激光原理经典教材研究与评介问题的报告

发布者:系统管理员发布时间:2019-06-12浏览次数:211

关于国外激光原理经典教材研究与评介问题的报告*

――以Lasers》、《Laser Fundamentals》、《Principles of Lasers》评介为例

 

张立彬(南开大学外国教材中心 天津 300071 

[内容摘要]  为加强国外教材的研究评介和信息服务工作,维护并完善教育部国外教材综合信息平台,推进对国外各学科优秀教材的研究与评介,本课题选定了国外有代表性的、世界著名大学所用的三本激光原理教材作为研究对象。在学习和借鉴发达国家激光原理教材成功经验的基础上,通过深入地分析、研究、比较和归纳总结,本文对所选三本激光原理经典教材做了客观地评价与介绍,为教育部外国教材的引进与利用提供了重要参考。

[ ]  国外教材;激光原理;激光技术;激光器件;评介;建议

1   引言

为编写出既有思想性、科学性、先进性与适用性,又达到国际水平且具有我国特色的高质量的教材,我们必须了解世界各国同类学科教材的情况,尤其是那些科学技术、经济较发达国家的教材建设状况。欧美等发达国家高校的教材经过数十年发展与建设,无论在教材体系、教学内容、教学方法等方面都形成了各自的优势和特色。其经验对于我们这样一个发展中国家来说,尤为值得学习与借鉴。

1960年第一支激光器研制成功以来,光学科学的研究与发展产生了质的飞跃。激光在光通信、信息处理、材料加工、生命科学和军事等诸多领域得到了重要应用,可以说,没有激光,现代光学领域的科学研究就难以开展。因此,激光原理课程是光学、光电子技术、物理电子学、凝聚态物理和信息科学等学科专业的基础课程。为促进国内高等教育与世界高等教育的接轨,为高校教材改革和双语教学提供可资利用与参考的外国教材,本课题选择了国外知名大学三本激光原理教材作为研究对象,并着重对其进行了评介分析。具体来说,国外三本激光原理经典教材分别是:美国斯坦福大学Anthony E.Siegman教授1986年撰写的《Lasers》;美国佛罗里达中央大学William T. Silfvast教授2004年撰写的《Laser Fundamentals》(Second Edition)和意大利米兰理工学院Orazio Svelto教授1998年撰写的《Principles of Lasers》(Fourth Edition)。

2   《激光(Lasers)》一书的内容与特色

《激光(Lasers)》是一本物理学领域的著作。其作者是美国斯坦福大学的安东尼・E・西格曼(Anthony E.Siegman)教授。该书1986年由英国牛津大学出版社出版,1283页,为美国的大学科学丛书。[1]

Anthony E.Siegman教授1952年获得哈佛大学的学士学位,1954年获得美国加州大学洛杉矶分校的应用物理学硕士学位,1957年获得斯坦福大学的电子工程学博士学位。从那时起,AnthonyE.Siegman教授在斯坦福大学任教,从事微波电子学、微波激射以及激光器领域的教学和科研工作,并成为斯坦福大学应用物理学教授。1965年,Anthony E.Siegman教授作为访问学者在哈佛大学进修一年。1969-1970年,在苏黎世的IBM科研实验室担任古根海姆研究员。1978-1983年,他还担任斯坦福大学的ELG试验室的主任。1984-1985年,在慕尼黑的普朗克量子光学研究所任资深研究员。AnthonyE.Siegman教授的研究领域包括激光物理、激光仪器和激光应用等方面,最主要集中在激光振荡器及其模式和激光光束的传播上。[2]

《激光》一书,是出现较早的全面阐述激光原理的著作,可作为研究生或具备较强能力的自然科学、工科专业的本科高年级学生的教学参考用书。它系统深入地论述了激光的产生、激光物理以及激光应用的基本内容。例如:原子分子的受激跃迁过程,激光设备的放大和振荡原理,激光振荡器以及包括激光尖峰、调Q、锁模等激光动力学原理。这些深入浅出的解析,能够满足不同群体的需要。

该书的高阶部分十分详尽,因此该书可成为经验丰富的激光工程师以及激光研究者有益的一部参考书。关于激光前沿问题,本书介绍了光学谐振腔、调Q、锁模、注入锁定以及该学科的现状等。尤为重要的是,该书几乎每一节都提供了近期相关文献作为深入阅读理解的参考书目。

激光原理和激光理论是该书的主要内容。《激光》的出版,填补了该领域的一项空白。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。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、分子的能级结构和能级跃迁这些物理学者所熟知的量子力学概念。该书不要求学生熟悉艰深的量子力学理论,只要掌握电磁理论、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。

以类似的情况为例,如半导体电子学,通常都不将晶体管作为量子设备。经典带电粒子的加速、漂移、扩散和重组既被半导体设备工程师应用于实用设备工程,又被固体物理学研究者用来解释复杂的物理实验。这些经典理论概念起到了解释作用,使得原本复杂的包括着能带、Bloch波函数、 费密-狄喇克分布函数、以及量子态的图像变得简单易懂。关于激光的介绍也同样达到了简单易懂的效果,即使在极少使用量子术语或概念情况下,也可从经典的角度,透彻地理解激光设备的知识。

本书中的每一节,针对每一个连续性话题,作者本人都试图回顾,至少是简要的回顾了相关的必要的背景知识。如果学生具备一些电磁学理论的基础知识,就会发现本书材料中的绝大部分内容都是能够理解的。诸如:麦克斯韦方程式、一些原子介质中的电磁极化概念、电磁波传播基本概念、光学和傅里叶变换概念等。尽管并不要求熟悉量子理论,学生至少也需要必备的原子物理等入门知识才能接受原子的确有量子特性,特别是量子能级和能级之间的跃迁等。

本书的创作思路是,先从简单的物理现象开始,然后逐步深入到大量的原子和分子的受激跃迁过程的细节分析;激光设备的基本应用与激光振荡过程分析;激光束与谐振腔的研究和设计分析;以及所有激光都具备的激光动力学的复杂性(包括激光尖峰、调Q、锁模、以及注入锁定)分析等。另外,本书引用大量的重要通用激光体系中的具体事例来阐述普遍原理,为从事激光理论与实践研究的人员提供了广泛的信息。

本书分为三大部分,共31章。其中,第一部分为激光物理基础,共13章内容。具体为:激光引言;受激跃迁――经典振荡模型;实际原子的电偶极子跃迁;原子速率方程;Rabi频率;激光泵浦和粒子数反转;激光放大;激光再放大;线性脉冲传输;非线性光脉冲传输;激光反射镜和再生反馈;激光器的振荡基础;振荡动力学和振荡阈值。在第一部分中,作者介绍了激光器和原子振荡器的经典和半经典理论。为了推动光学应用的发展,又在第六章介绍了激光器泵浦和粒子数反转。该书语言通俗易懂,给读者提供了足够的深度,不需要其它参考资料的帮助就能理解材料。

本书的第二部分介绍了激光光束与激光器谐振腔,共10章内容,也是全书的主体部分。具体有:光束与谐振腔―引言;射线光学与射线矩阵;波动光学与高斯光束;高斯光束的物理性质;光束扰动和衍射;稳定的两镜腔;复合同轴波动光学;普通同轴谐振腔理论;非稳谐振腔;非稳谐振腔再讨论。本章内容是Anthony E.Siegman教授的一个研究项目,他的成果也很优秀。读者可以在这些章节中找到所有与激光谐振和光束传播相关的必备信息。

本书的最后部分即第三部分,介绍了激光动力学和新课题,共8章内容,主要涉及了激光动力和挑选的深度题目。具体有:激光动力学―激光器腔方程;激光尖峰和模式竟争;激光Q开关;实际激光器的模式耦合;被动锁模;激光注入锁定;烧孔和饱和光谱学;磁偶极子跃迁。深度题目诸如烧孔效应和饱和光谱学等适合那些更有经验的读者。

本书包括了许多关于激光器及其如何操作的有用的例子。避免了其它一些量子、电子或激光教材所落入的俗套,即过分集中与总结不同激光器的属性。然而,这部分却能用简练的理论和更多的实例使那些对激光器感兴趣的读者了解更多。

书的练习中提出的大量的、清晰的、富有建设性的问题,极大地提高了该书作为课堂使用教材的价值,可加深理解和巩固所学内容。另外, Siegman教授避免了其他作者遇到的困难,通过开发不涉及数量操作的问题以及设计思维活跃的问题来提高学生的能力。

比起这本书的优点,该书的缺点是微不足道的。作者尽可能的用清晰而广泛的应用方式综合阐述自己的理论。这样优秀的一本书,希望得到更多的推广。[3]

美国加州大学伯克利分校的Eugene教授评论说 “这本书的技术性内容给我留下了非常深刻的印象”;《物理通报》评论说“这是一本令人惊奇的书,它对这方面感兴趣的读者是无价之宝”;《天气和望远镜》评论说“这是一本在概念和讲解方面都非常好的书”;美国的Choice Magazine教授对该书的评价是:“对于实验者来说,它是一本极有价值的读物”;《美国物理学报》评价说“该书的陈述很清晰,很有深度,该书作者第一个真实全面深透地介绍了这个学科”。[4]

另外,海外读者从各自的角度对该书做了诸多极为肯定地评价和积极地推荐。譬如,有的说“本书是一部优秀的工程学教材,适合任何水平的初学者”;“该书用浅显流畅的语言揭示了复杂深奥的道理,如果有人想了解激光系统的基础知识,我一定会推荐这本书”;“这本优秀的教材完美地介绍了激光世界,尤其适合大学生阅读,特别是那些工程学领域的”;“该书清晰、明了、可读性强。如果你想对激光有所了解,此书是最佳选择。该书作者在每一章节后列举了他的参考书,这样很好,读者通过查阅相关参考文献可极大地丰富、深化所学知识。写这部好书的作者是斯坦福大学卓越的教授”。还有读者在首肯同时,诚挚地提出一些希望,有的说“虽然该书没有过多地提及量子力学,其基本原理和实例的阐述非常清晰。缺点是缺乏半导体激光二极管的介绍。这项技术在现在很多激光工程领域都处在中心地位”;“就现阶段来说,尽管该书对激光科学家和光学专业学生来说仍是一本优秀的参考书或教材,但它还需要进一步对最新的发展有所涵盖”。[5]

3   《激光基础(Laser Fundamentals)》(第二版)的内容与特色

《激光基础(Laser Fundamentals)》由英国剑桥大学出版社出版。该书1996年完成第一版,此后1999年、2000年、2003年进行了3次印刷,2004年出版第二版,全书642页。作者为美国佛罗里达中央大学光学学院的威廉・T・西尔瓦斯特(William T. Silfvast)教授。[6]

《激光基础》(Second Edition)是一本在介绍激光知识方面非常优秀和权威的书籍。此书一经发行,立即得到了业内学者的广泛好评。作者在第一版的基础上,经过几年的潜心研究和探索后,又有了许多新的见解,为了弥补《激光基础》(第一版)的一些漏洞和不足,以及多介绍一些最新的技术发展状况,遂决定对本书进行了再版。

本书作者威廉・T・西尔瓦斯特(William T. Silfvast)教授,是激光研究方面的权威人士,他所在的工作单位为佛罗里达中央大学的光学激光教育研究中心,是美国著名的三大光学研究中心之一。他1961年获得美国犹他大学物理学和数学双学士学位,1965年获得物理学博士学位。自1960年激光领域被开发后不久作者就开始与激光打交道了。在校求学期间,他曾参与FrankHarris教授开展的构建红宝石激光器的研究项目,并非常幸运地跟随Grant Fowles教授进行了激光理论的研究。在此期间,作者与老师共同发明了许多种新型的金属蒸汽激光器。1966-1967年,作者曾任英国牛津大学克雷伦敦实验室博士后研究员。1967-1989年,作者任职于新泽西AT&T贝尔实验室。期间,1982-1983年,作者还担任过美国斯坦福大学古根海姆研究员。1983年起作者就被国际社会公认为技术领域的权威人士。1990年,作者加入了位于奥兰多市的佛罗里达中央大学,在这里他既作为物理学和电气工程教授授课,同时也作为光学激光教育研究中心(CREOL)的研究员进行科研工作。19941997年,作者曾担任美国佛罗里达中央大学物理系主任教授。1999年,他同时成为了光学学院的任职教授,并至今仍任该校光学学院的荣誉教授。Silfvast教授同时是美国物理协会、美国光学协会以及北美电气和电子工程师协会的研究员。作为该领域研究的先驱,作者在金属蒸汽激光器、复合激光器、光电离泵浦激光器、等离子体激光器以及EUV光刻技术等研究领域取得了超前卓越的研究成就,发表了100余篇的科技论文,拥有30多项专利。正是多年积累的丰富理论与实践经验,本书作者才写出了如此优秀的有独到见解的激光教科书。[7]

   《激光基础》这本书向我们清新全面地介绍了有关激光和激光设计的原理。阐述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。该书有16章内容,具体为:激光概论;光的波属性―光与物质的相互作用;光的粒子属性―量子化的能级;跃迁辐射和发射线宽;气体、液体和固体的辐射特性与能级;辐射和热力的均衡―吸收和受激辐射;激光的产生条件―粒子反转数、增益和增益饱和度;超越阈值的激光振荡;粒子反转的要求;激光的泵浦要求与技术;激光腔模式;稳定激光共振和高斯光束;特殊的激光腔和效果;低增益密度介质的激光系统;高增益密度介质的激光系统;激光的倍频和非线性光学。

    与第一版相比,第二版在文字及图形方面做出了多方面的改进,特别是在固体激光器、半导体激光器和激光谐振腔等研究方面加进了许多新的内容。第二版还增加了一个新的章节以介绍阈值之上的激光振荡情况,并对激光放大器进行了广泛的讨论。此外,书中详细介绍了一些新的激光器类型(例如Nd:YLF型, Nd:YVO4型和Yb:YAG型),同时,对于二级管泵浦的固体激光器也进行了详细叙述。该书涵盖了半导体激光器的四个基本范畴(即GaAs, InP, ZnSe, GaN),并运用ABCD矩阵方法对于含有双面镜、三面镜、四面镜的激光谐振腔做了分析阐释。与此同时,创作本书第二版则是为了弥补第一版的一些空白领域,当然第一版中存在的错误也在第二版中被予以修正。在某些领域,主要是固体激光器和半导体激光器取得的进展也相应地被涵盖进新版本中。本书在这些问题的处理上非常得当,作者还希望读者来审评这些新的改动。

本书首先介绍了光的基本波动性质和量子特质,例如相干、能级、发射线宽和受激发射等方面内容,利用这些特性,书中阐述了粒子数反转、增益、饱和强度、阈值上的激光振荡、泵浦和激光谐振腔特性等重要概念。其中,本书特别介绍了激光谐振腔,包括横模和纵模、高斯光束、不稳定谐振腔、调Q、锁模等概念。本书所阐述的激光原理适用于所有激光放大装置。本书不仅检测了低密度介质中粒子反转的发展,同时也检验了其在诸如液体和固体等高密度介质中的发展情况。该书向读者介绍了大量固体激光器和半导体激光器,并对常见激光器提供了详尽阐述和表格数据,全书以介绍激光相关的非线性频率变换章节作为结尾。

此书有完整的章节参考和索引;文字与数字的一体化结合;样本问题的综合分析,以及充分的课后练习,这些将使读者受益良多。书中包含了大量的数据和等式,其严谨性是显而易见的,作者的教学特点也在此体现得淋漓尽致。

该书第一章讲述了光的基本性质以及光与物质作用的原理。第2章到第6章讲解了光的波粒二像性,即波动性和粒子性。其中,波动性包括: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、脉冲展宽和受激发射等则表征了光的粒子性。激光放大的概念在第7章中介绍。涉及粒子数反转和泵浦的激光放大器特性在第810章中进行了介绍。第11章讨论了谐振腔的特性与横模和纵模的形成。第12章、13章深入研究了高斯光束和特殊的激光谐振腔、调Q、锁模技术等。第1415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作了简短的概述。

该书一些独特之处有:第4章中对于脉冲线宽和展宽的处理;第7章中的激光放大器简单模型的发展;第13章中对于特殊激光谐振腔的讨论和第1415章中对于激光器的总结。此书中,当对特殊概念进行介绍的时候,作者尽量把这个概念与各种类型的激光放大器联系起来,包括气体激光器、液体(染料)激光器、以及固体激光器。这样做的目的在于介绍每一个概念的时候,使读者能够对相应各种类型的激光器有更好的理解,而不至于单独对某个特定的激光器有所认识。

这本书可以作为教学一学期或两学期的教程使用。如果用作一个学期教程,第2章节到第12章节应在授课时作为重点。若用于两个学期的课程,第14和15章中对于特殊激光器的延展概括,以及第16章的倍频概念均应有所涉及。在一个学期的教程中,作者曾要求学生提交某一种特殊激光器报告,并在课堂上作10-15分钟关于该激光器的演讲,通过这种方式涉及教授第1415章节中的一些知识点。在第3章和第4章中引用对于初级量子力学的描述以说明在物质中如何发生辐射转移。在教学中,教师若想避免涉及量子力学的相关内容,可着重于每一部分的结尾所强调的结论部分。

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。[8][9]

4   《激光原理(Principles of Lasers)》(第四版)的内容与特色

《激光原理(Principles of Lasers)》(Fourth Edition)一书,1998年由位于纽约和伦敦的出版商Plenum Press出版,全书604页。作者为意大利米兰理工学院教授、意大利国家研究委员会量子电子学中心主任奥拉齐奥・斯韦尔托(Orazio Svelto)。译者为英国南安普顿大学的大卫・C・汉纳(David C.Hanna)教授。[10]

Orazio Svelto教授的研究领域涉及激光物理学和量子电子学领域中的多个方面,是这一领域的开拓者。他的研究工作主要包括:光脉冲的产生及应用,激光谐振腔及选模技术的发展,激光技术在生物学和医学方面的应用,以及固体激光器的发展等。Orazio Svelto教授目前已发表相关科技论文150余篇;在多次国际学术会议上,有50余篇特约论文集中反映了他的各项研究成果。Orazio Svelto教授还担任过第10届国际量子电子学会议(1976)的项目主管, 第85届、第90CLEO组织欧洲项目委员会主席,以及第1届CLEO组织欧洲区会议(1994)的主席团成员。他同时也是意大利“Academia dei XL”学会的会员和电气及电子工程师协会(IEEE)的研究员。另外,译者―英国南安普顿大学的大卫・C・汉纳(David C.Hanna)教授主要从事光学物理研究等。

此书是在1989年第三版的基础上改编的,在原有内容基础上,本书第四版新纳入了量子阱及多量子阱激光器、二极管泵浦固态激光器、稳定激光腔和非稳腔的新理论、飞秒激光器、超高亮度激光器等内容。本书再版的目的在于帮助读者对激光原理及其性能有一个更为广泛并且统一的科学理解。

《激光原理(Principles of Lasers)》(第四版)共有12章内容,具体为:概念介绍;原子和离子辐射的相互作用;分子和半导体中的能级、辐射跃迁和非辐射跃迁;光学介质中射线与光波的传播;被动光学谐振腔;泵浦过程;连续激光的特性;瞬时激光的特性;固体激光器、染料激光器和半导体激光器;气体激光器、化学激光器、自由电子激光器和X射线激光器;激光光束的特性;激光束传输―传播、放大、频率转换、脉冲压缩和脉冲展宽。

与第三版相比,本书增加了以下新内容及做了必要的改动:第二章更加详细地描述了自发辐射放大理论,介绍了均匀加宽和非均匀加宽的现象;第三章主要介绍了辐射与半导体介质的相互作用(包括大尺寸半导体和量子阱以及量子点材料);第五章介绍了一种稳定激光腔和非稳腔的新理论,并用ABCD矩阵讨论了动态稳定腔以及非稳腔的高斯横模分布;第六章介绍了纵向和横向二极管泵浦固态激光器,并与灯泵方式作了对比;第七章介绍了适用于四能级和准三能级激光工作物质系统的与空间有关的速率方程,并讨论了纵向和横向泵浦;第八章用了很长的篇幅介绍了克尔透镜锁模激光器,也讨论了谐振腔二、三阶色散及色散补偿与最后输出脉宽的关系;第九章详细讨论了钛宝石等掺稀土离子的新型可调谐固体激光器;另外第九章还用了很长篇幅讨论了半导体激光器及其特性;第十一、十二章用M2因子和高斯光束讨论了多模激光束的发散特性及其在光学系统中的传播特性;在十二章中,作者还详细介绍了通过啁啾脉冲放大及脉冲展宽与压缩技术产生超高能量密度激光。

除了以上新增加的部分,本书内容中也丰富了许多实例,以及一些新的图表和附录。实例中有些是在文献中遇到的情况,有些是在实践过程中遇到的情况,而有些则是描述某一课题研究中取得的重大进展。本书的图表中提供了与光学、光谱分析和激光材料的非线性光学特性有关的数据。这些数据提供了更广泛的量化参考,有助于问题的解决。附录则是从数学的角度来研究相关课题。这些增加的内容通常是对一相关课题的补充,也因此可以帮助读者加深对课题的理解。

虽然做了较大的修改,但是本书仍然保留了其基本宗旨与基本结构。本书的基本宗旨即:可以借助直观图示表达清楚的对象,决不用繁琐难懂的数学来描述。在使用物理图示时,本书也应用了简洁的数学描述来帮助读者更好地理解相关内容。同时,读者也可以参考附录中更详尽的模型分析。基于激光由激活介质、谐振腔和泵浦系统三个要素组成,本书的基本结构既从这三方面展开。相应地,在概述章节之后,第23章、第45章、第6章讲解了三要素的相关特性。然后,基于与三要素相关的知识点,第7、8章分别讨论了连续波激光特性和瞬变激光特性。第9、10章分别描述了利用高密度介质和低密度介质的激光的相关类型。最后,第11、12章从激光应用者的视角出发来研究激光束,深入探讨了激光的输出特性以及相关的激光束变化,例如放大、频率转换、脉冲展宽和压缩等。

此书的突出特点在于紧密结合讲述内容,在每个章节都有大量的应用举例,其中有许多都是作者自己的实验工作经验,这对激光理论与实践的深入理解甚至具体技术的掌握有很大帮助,此其一。同国内中文教材相比,该书插图更体现了物理图象清晰的优点,如该书第286页关于用法布里―波罗标准具选纵模的示意图,就非常清晰地给出了选纵模的物理图像等,此其二。此书是以教科书的形式编写的,每一章后面都附有一定数量的习题。由于其内容包括了“激光物理的基本理论”(第2-8,11章)和“激光工程”(第5-12章),相当于国内激光专业课程设置体系与激光有关的《激光原理》、《激光技术》和《激光器件》所涉及的主要内容。因此,本书既适合作为物理学科和光学工程学科的高年级本科生和研究生教材,也可作为其阅读用的课外参考书,此其三。

1981年诺贝尔物理学奖获得者阿瑟・L・斯光图(Arthur L .Schawlow)教授曾赞扬过此书的早期版本,他说:“Orazio Svelto教授自己长期以来就是激光领域的先驱者,他的书展示了他对此领域所有方面的广泛的熟悉积度,证明了他在这方面的博学。任何掌握此书内容的人都能够读懂激光领域高水平的论文与研究性文章。”[11]

本书的出版商对该书进行了推荐介绍,认为:最新的第四版《激光原理》如此彻底地被更新和扩充了,以至于现在看来它事实上已成为了一本全新的书。不过,这本教材的基本任务依然保持不变,那就是提供了一种广泛而综合的关于激光原理、物理、技术,以及当今先进设备全面而有条理的描述。Orazio Svelto博士对激光的描述在物理方面重过数学方面,并且本书用浅显易懂的方式表达了适宜而正确的物理理念。

另外,一些报刊杂志也对该书进行了评述:如《视觉与激光技术》认为“由本书带领进入激光研究领域的学生是幸运的。本书极为出色,并且配有合适的阐述以及插图。书中给出的问题也极有帮助,并且都集中讨论了时下热点。”《保健物理学》认为“这本书与现有的一些关于激光安全性的集子的其中一册相关,对该书充分的理解能为健康方面的物理学家长期提供他所需的知识……强烈推荐!”《科技新闻》认为“它是一本对激光理论和应用介绍得很好的书籍……主要面向较高年级的在校学生。该书编排逻辑性强,简单易读。要理解这一不断发展的领域所需要的大部分基础性数学知识都在本书中得到了体现。该书每一章节都包含一组很好的思考问题,并在书后给出了部分答案。”……[12][13]

5   国外三本激光原理经典教材的共同特点

需特别说明的是,国外有关激光方面的教材书籍很多,除本课题选择的在我国影响比较大的三部教材外,还有文末“其它相关文献”中的几本等。限于篇幅,本课题仅以《Lasers》、《Laser Fundamentals》和《 Principles of Lasers》为例,对其作了重点评介与比较。

上述国外三本教材的共同之处可从以下几个方面来阐明:就出版情况而言,国外三本书都是具有重大学术影响的世界著名大学出版社及出版商出版的,如《Lasers》由牛津大学出版社出版、《Laser Fundamentals》(Second Edition)由剑桥大学出版社出版等。另外,国外这三本书理论详实、内容丰富,其中,《Lasers》1283页,《LaserFundamentals》(Second Edition642页,《 Principles of Lasers》(Fourth Edition604页。就作者情况而言,国外这三本书都是由在物理学领域有重大影响力的知名科学家独自撰写的,他们均有骄人的科研经历、多年的教学经验及辉煌的科技创新成果。他们分别是美国斯坦福大学的Anthony E.Siegman教授、美国佛罗里达中央大学光学学院的WilliamT. Silfvast教授和意大利米兰理工学院教授、意大利国家研究委员会量子电子学中心主任OrazioSvelto等。就全书结构而言,国外这三本书都是按专题的形式组织的,每本书的专题很多且各成一章,彰显了书的广度与深度,如《Lasers》有31个专题、《LaserFundamentals》(Second Edition)有16个专题、《 Principles of Lasers》(Fourth Edition)有12个专题。就全书内容而言,这三本书均对激光领域涉及的主要内容的相关知识和要点做了全面、广泛、科学、深入地阐述与分析。就深刻理解内容而言,这三本书每一章节不仅有大量的应用举例、插图、图表和课后习题,还提供了近期相关的重要参考阅读文献,以丰富、深化相关内容,帮助读者进一步加深对该书观点的科学理解。

另外,上述国外教材还有一些鲜明的共同特点:其一,内容全面,篇幅较长:国外教材通常涵盖了我国高校激光类专业课程设置体系中的激光原理、激光技术、激光器件三门课程。其二,理论完善,阐述条理:国外教材往往从波动方程或者电子震荡模型出发,引入激光概念后,再对半经典理论和量子理论进行介绍等。其三,起点较低,跨度较大:国外教材一般要求的理论基础比较低,大学本科生就可读懂,但是学到最后,其难度常常加大,直至学到高新科技内容。其四,理论联系实际,学习生动有趣:国外教材通常不孤立地讲授激光原理,而是和激光技术、激光器件具体地结合起来,让学生感觉到实用性和趣味性。其五,严密的推导,详细的过程:国外教材的推导步骤详细,过程严密,读者不需要借助其他参考书便能完全理解。其六,图表众多,精美直观:国外教材非常注重各类图表曲线(如三维图、结构图、示意图、光谱和常数表格等)的精心制作,读者通过这些图表曲线可更好、更快、更方便地深透理解书本内容。

6   国内外激光原理经典教材的比较

在国内,各大高校普遍使用的具有较大影响力的激光类教材有:国防工业出版社20071月出版的《激光原理(第五版)》,编者为清华大学教授周炳琨院士等,全书10章,共340页;北京理工大学出版社20068月出版的《激光原理技术及应用》,编者为北京理工大学阎吉祥教授、博导等,全书6章,共308页;复旦大学出版社19899月出版的《激光物理学》,编者为复旦大学伍长征教授、博导等,全书10章,32开本共556页。[14][15][16]除此之外,国内还有十余本有影响的教材,可参见文末的“其它相关文献”。

从作者情况看,国内这三本教材的主编都是国内知名教授,均具有多年的高校教学、科研经验和丰硕的科研成果。他们了解激光领域的兴起与发展现状,并能够洞悉其发展趋势。从内容情况看,国内这三本教材均介绍了激光的基本原理、光谐振腔理论、激光放大和谐振理论、控制与改善激光器特性的各种技术(选模、调Q、锁模等)的原理及理论,以及典型激光器和光放大器的工作原理和特点,涵盖了激光领域的大部分要点。从阅读对象看,这三本书既适合作为我国高校理工科院校物理学、光学、光学工程、光通信和测试计算技术及仪器等学科专业的本科生和研究生的教材使用;还可供从事激光工作的研究人员、技术人员以及高校有关专业的师生参考。[17]需特别说明的是,国内这三本教材具有较强的适合国内高校教学的针对性,这些书每个章节后面均有习题、参考文献和附录,可供读者们学习参考。

当今世界激光科技飞速发展,国外三本外文教材的著者就他们所了解的世界许多国家和著名实验室在激光领域的发展与创新成果都作了较为详细地介绍,其中对重要内容还配以实物照片和附录,进一步作了说明。与国内三本激光原理经典教材相比较,国外三本外文激光教材内容更加丰富,专题中作者所加的大量插图、数据和图表,易使读者更通透地领会作者所要讲解的内容和观点。此其一。与国内教材相比,国外三本外文教材的部分章节内容简单易懂,可作为相关激光领域前沿讲座内容介绍给广大激光爱好者,而且他们不需要深厚的光学理论功底和实践经验。此其二。国内教材比较符合传统的教学模式,而国外教材对于教师引导学生小组讨论和培养发散思维具有更好的帮助,同时,国外教材还特别注重培养学生的观察能力、创新能力和动手能力。此其三。

另外,国内外教材在知识点、讲述方式及总体架够上有明显的差异。具体地说:在知识点上,国外教材内容全面、广泛,基础性的知识介绍较多,能使对本门课程了解不多的读者可以不需要参考太多的书目,就能较好地理解激光的有关理论与技术等;国内教材对读者有较高的要求,它要求读者能自行理解和进行简单公式的推导及应用,对于复杂一些的公式则给出简略的推证或给以概括性的理解提示。在讲述方式上,国外教材非常关注理解,最主要的就是采用直观的图表解说法,让读者理解一些概念、原理和技术;国内教材强调的是理解能力,其思路是用公式来说明问题,用公式来解决问题。在总体架够上,简而言之,就是国外教材比国内教材更为详细、更为基础、更为前沿等。

7   建议

    鉴于《Lasers》、《Laser Fundamentals》(Second Edition)和《 Principles of Lasers》(Fourth Edition)等国外教材都涉及激光原理、激光技术和激光器件等激光领域的相关基础知识及其特点特色和我国相关学科专业门类较多的教学实际情况。本文认为国外这三本教材如果直接作为国内教材使用,必需适当做些增删改动。但国外这三本教材的大部分内容比较适合作为我国高校今后要开展的双语教学内容,另外对编写我国特色的激光原理教材也有一定的参考价值。尤为重要的是,国外这三本书的全部内容既适合作为我国物理学、光学、光学工程、光通信和测试计算技术及仪器等学科专业高年级本科生和低年级研究生的科研参考用书和课外阅读用书,还非常适合作为高校教师的教学参考书等。

 

参考文献:

[1] Anthony E.Siegman.Lasers.Oxford University Press,1986:1-1283.

[2]  http://www.stanford.edu/group/ginzton/faculty/siegman.html

[3]  http://ieeexplore.ieee.org/iel5/3/23110/01073549.pdf?arnumber=1073549

[4] Anthony E.Siegman.Lasers.Oxford University Press,1986:封背页.

[5]http://www.amazon.com/review/product/0935702113/ref=dp_top_cm_cr_acr_txt?%5Fencoding=UTF8&showViewpoints=1

[6] William T. Silfvast. Laser FundamentalsSecond Edition.Cambridge UniversityPress,2004:1-642.

[7] William T. Silfvast. Laser FundamentalsSecond Edition.Cambridge University Press,2004:封背页.

[8]  http://www.osa-opn.org/Content/ViewFile.aspx?id=10493

[9]http://www.amazon.com/Laser-Fundamentals-William-T-Silfvast/dp/0521833450/ref=pd_bbs_sr_1?ie=UTF8&s=books&qid=1214124359&sr=1-1

[10] Orazio Svelto. Principles of LasersFourth Edition.Plenum Press(New York and London),1998:1-604.

[11] Orazio Svelto. Principles of LasersFourth Edition.Plenum Press(New York and London),1998:封背页.

[12]http://www.amazon.com/Principles-Lasers-Orazio-Svelto/dp/0306457482/ref=pd_bbs_sr_1?ie=UTF8&s=books&qid=1214126321&sr=1-1

[13] Orazio Svelto. Principles of LasersFourth Edition.Plenum Press(New York and London),1998:封背页.

[14] 周炳琨等.激光原理(第5版).国防工业出版社,2007:1340.

[15] 阎吉祥等. 激光原理技术及应用. 北京理工大学出版社,2006:1308.

[16] 伍长征等.激光物理学. 复旦大学出版社,19891―556.

[17] 教育部高校学生司.2005年全国博士研究生招生专业目录(上、中、下三册).北京师范大学出版社,2004.11.

其它相关文献:

[18] Claude Rulliere.Femtosecond Laser PulsesPrinciples andExperiments.Springer-Verlag,Berlin,2005.

[19]  ChristopherC.Davis. Lasers and Electro-Optics.Cambridge University Press,2004.

[20] Jean-Claude Diels.Ultrashort laser Pulse Phenomena:Fundaments,Techniquesand Applications on a Femtosecond Time Scale.Academic Press Inc,2006.

[21] S.A.Akhmanov.Optics of Femtosecond Laser Pulses.AmericanInstitute of Physics,1992.

[22] Martin E.Ferman.Ultrafast lasers:Technology andApplications.Marcel Deker Inc,2003.

[23] C.K.Rhodes.Excimer Laser. Berlin:Springer-Verlag,1984.

[24] Markolf H.Niemz.Laser-Tissue Interactions:Fundamentals andApplications. Berlin:Springer-Verlag,1996.

[25] Walter Koechner.Solid-State Laser Engineering.SpringerScience Business Media Inc,2005.

[26]兰信矩等.激光技术.科学出版社,2005.

[27]钱梅珍等.激光物理.电子工业出版社,1990.

[28]李相银等.激光原理技术及应用.哈尔滨工业大学出版社,2004.

[29]徐荣甫等.激光器件与技术教程.北京工业学院出版社,1986.

[30]陈家璧等.激光原理及应用.电子工业出版社,2004.

[31]吕百达.激光光学.四川大学出版社,1986.

[32]魏光辉等.激光光束学.北京工业学院出版社,1988.

[33]魏彪等.激光原理及应用.重庆大学出版社,2007.

[34]杨国权.激光原理.中央民族学院出版社,1989.

[35]章若冰等.激光物理导论.天津大学出版社,1988.

[36]陈钰清等.激光原理.浙江大学出版社,1992.

附件一:《Lasers》的章节目录

第一部分:激光物理基础

1.激光引言;

2.受激跃迁:经典振荡模型;

3.实际原子的电偶极子跃迁;

4.原子速率方程;

5Rabi频率;

6.激光泵浦和粒子数反转;

7.激光放大;

8.激光再放大;

9.线性脉冲传输;

10.非线性光脉冲传输;

11.激光反射镜和再生反馈;

12.激光器的振荡基础;

13.振荡动力学和振荡阈值;

第二部分:光束与谐振腔

14.光束与谐振腔:引言;

15.射线光学与射线矩阵;

16.波动光学与高斯光束;

17.高斯光束的物理性质;

18.光束扰动和衍射;

19.稳定的两镜腔;

20.复合同轴波动光学;

21.普通同轴谐振腔理论;

22.非稳谐振腔;

23.非稳谐振腔再讨论;

第三部分:激光动力学和新课题

24.激光动力学:激光器腔方程;

25.激光尖峰和模式竟争;

26.激光Q开关;

27.实际激光器的模式耦合;

28.被动锁模;

29.激光注入锁定;

30.烧孔和饱和光谱学;

31.磁偶极子跃迁。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附件二:《Laser Fundamentals》(Second Edition)的章节目录

1.激光概论;

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;

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;

4.跃迁辐射和发射线宽;

5.气体、液体和固体的辐射特性和能级;

6.辐射和热力的均衡――吸收和受激辐射;

第三部分:激光放大

7.激光的产生条件――粒子反转数、增益和增益饱和度;

8.超越阈值的激光振荡;

9.粒子反转的要求;

10.激光的泵浦要求与技术;

第四部分:激光谐振腔

11.激光腔模式;

12.稳定激光共振和高斯光束;

13.特殊的激光腔和效果;

第五部分:特殊的激光系统

14.低增益密度介质的激光系统;

15.高增益密度介质的激光系统;

第六部分:激光束的倍频

16.激光的倍频和非线性光学。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

附件三:《Principles of Lasers》(Fourth Edition)的章节目录

事例

1.概念介绍;

2.原子和离子辐射的相互作用;

3.分子和半导体中的能级、辐射跃迁和非辐射跃迁;

4.光学介质中射线与光波的传播;

5.被动光学谐振腔;

6.泵浦过程;

7.连续激光的特性;

8.瞬时激光的特性;

9.固体激光器、染料激光器和半导体激光器;

10.气体激光器、化学激光器、自由电子激光器和X射线激光器;

11.激光光束的特性;

12.激光束的传输―传播、放大、频率转换、脉冲压缩和脉冲展宽。

附录

 

 

[作者简介]  张立彬(1964―),男,河北石家庄人,南开大学图书馆副教授,现主要从事信息文化、信息技术和外国教材研究,发表各类学术论文90余篇,其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编4篇。 

 

此文的压缩版发表在《高校图书馆工作》(20085期)上。

 

张立彬联系方式,邮箱:zhanglibin@nankai.edu.cn