摘要:在学习和借鉴发达国家激光原理教材成功经验的基础上,本文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经典教材为研究对象,通过分析、研究和总结,对所选教材进行了客观地评价与介绍。
关键词:国外教材:激光原理;激光技术;激光器件;评介
教育部南开大学外国教材中心,多年来一直承担全国物理类外国教材的引进、研究评介及交流,积累了一定的外国教材研究工作经验。曾于1989年出版过《全国高等学校物理类外国教材研究文集》。2007年1月,该中心正式承担了教育部2006年外国教材研究项目“国外激光原理教材研究评介”。本文为该课题研究的成果之一。
本文选择国外知名大学三本激光原理教材作为研究对象,并着重对其进行评介分析。这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年出版的Lasers~美国佛罗里达中央大学WilliamtSilfvast教授2004年出版的LaserFundamentals(SecondEdition)和意大利米兰理工学院Orazio Svelto教授1998年出版的Principles of Lasers(Fourth Edition)。
一、《激光(Lasers)》
《激光(Lasers)》是一本物理学领域的名著。其作者是美国斯坦福大学的安东尼·E,西格曼(AnthonyE,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。
Siegman教授于1957年获得斯坦福大学的电子工程学博士学位起,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。其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。
《激光》一书,是他全面阐述激光原理的著作,它系统深入地论述了激光的产生、激光原理以及激光应用等基本内容。
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。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:光束与谐振腔一引言: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。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:激光动力学一激光器腔方程:激光尖峰和模式;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。
该书练习中汇集了大量的富有建设性的问题,极大地提高了该书的价值。Siegman教授在书中设计思维活跃的问题,以此来提高学生的能力等等。
《美国物理学报》评价说“该书的陈述很清晰,很有深度,作者第一个真实全面深透地介绍了这个学科”。
海外读者从各自的角度对该书做了极为肯定地评价。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”;“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”;有的说“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”。
二、《激光基础(LaserFundamentals)》(第
二版)
《激光基础(LaserFundamentals)》(Second Edition)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。
William T.Silfvast教授是激光研究方面的权威人士,是美国佛罗里达中央大学光学院的教授。1994至1997年,他曾担任美国佛罗里达中央大学物理系主任教授。1999年,他成了光学学院的任职教授,至今仍任该校光学学院的荣誉教授。Sflfvast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。他在金属蒸汽激光器、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。正是他多年积累的丰富理论与实践经验,才写出了如此优秀的有独到见解的激光教科书。
《激光基础》一书介绍了有关激光和激光设计的原理。包括全书从激光基础到激光物理、激光工程,涉及的问题很多。该书有16章包括激光概论,光的波属性一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,辐射和热力的均衡一吸收和受激辐射,激光的产生条件一粒子反转数、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。
本书可以作为教学教程使用。如果用作一个学期教程,第2章到第12章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,通过这种方式会涉及到第14、15章中的一些知识点。在教学中,教师若想回避涉及量子力学的相关内容,可突出每一章节的结论部分。
有读者评价:《激光基础》(第二版)是一本言简意赅、深入浅出的书籍。该书非常适合相关专业的高年级大学本科生及研究生阅读。也适合相关研究人员使用,具有很高的参考价值。
三、《激光原理(Pringiples ofLasers)》(第
四版)
《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 Svelte)。译者为英国南安普顿大
学的大卫·C·汉纳(David C.Hanna)教授。该书1983年曾被吕云仙译成中文。
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。目前他已发表相关科技论文150余篇,在国际学术会议上,有50余篇特约论文集中反映了他的各项研究成果。他还担任过第10届国际量子电子学会议(1976)的项目主管,第85届、第90届CLEO组织欧洲项目委员会主席,以及第l届CLEO组织欧洲区会议(1994)的主席团成员。他也是意大利“Academiadei XL”学会的会员和电气及电子工程师协会(IEEE)的研究员。本书译者为英国南安普顿大学的大卫·C,汉纳(David C,Hanna)教授,Hanna教授主要从事光学物理研究等。
《激光原理(Principles of Lasers)》(第四版)共有12章内容:包括概念介绍,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,激光束的传输一传播、放大、频率转换、脉冲压缩和脉冲展宽。
1981年诺贝尔物理学奖获得者阿瑟·L·斯光图(ArthurL,Sehawlow)教授曾赞扬过此书的早期版本,他说:“Orazio Svdto教授长期以来就是激光领域的先驱者,他的著作展示了他对此领域所有方面的广泛的熟悉程度,体现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”。
本书的出版商对该书进行了推荐介绍,认为:第四版《激光原理》如此彻底地被更新和扩充,它已成为一本全新的教材。不过,这本教材的基本任务依然保持不变,那就是提供一种广泛而综合的关于激光原理、激光物理、激光技术,以及当今先进设备全面而有条理的描述。Svelte教授对激光的描述在物理方面重过数学方面,并浅显易懂的方式表达了科学的物理理念。
一些报刊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,并且配有恰当的阐述以及插图。书中给出的问题也极有帮助,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集子中的一册相关,对该书充分的理解能为健康研究方面的物理学家长期提供所需的知识……强烈推荐!”
四、国外三本激光原理经典教材的特色
就出版情况而言,国外上述三本书是具有重大学术影响,由世界著名大学出版社及出版商出版。如Lasers,1283页,由牛津大学出版社出版;LaserFundamentals(SecondEdi60n),642页,由剑桥大学出版社出版。就作者情况而言,这三本书都由在物理学领域有重大影响力的知名科学家撰写。他们均有骄人的科研经历、多年的教学经验以及辉煌的科技创新成果。全书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(SecondEdition)有16个专题,Principles ofLasers(FourthEdition)有12个专题。就阅读对象而言,这三本书既适合理工科院校物理学、光学、光学工程、光通信、测试计算技术及仪器等学科专业的本科生和研究生选用,还可供从事激光工作的研究人员、技术人员以及有关专业的教师参考。这三本书每一章节有大量的应用举例、图表和课后习题,提供了相关的参考文献,以丰富、深化相关内容,帮助读者进一步加深对该书观点的正确理解。
就内容而言,其一,内容全面,篇幅适中,涵盖了激光类专业课程设置体系中的激光原理、激光技术、激光器件课程内容。其二,理论完善,阐述条理。从波动方程或者电子震荡模型出发引入激光概念,对半经典理论和量子理论进行了介绍。其三,跨度较大。我国的大学本科生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。其四,理论联系实际。激光技术、激光器件有机结合,具有实用性和趣味性。其五,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。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更方便地理解教材内容。