Table of contents for Lasers / Peter W. Milonni, Joseph H. Eberly.

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Contents
Preface vii
1 INTRODUCTION TO LASER OPERATION 1
1.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 LASERS AND LASER LIGHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 LIGHT IN CAVITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 LIGHT EMISSION AND ABSORPTION IN QUANTUM THEORY . . . . . 9
1.5 EINSTEIN THEORY OF LIGHT?MATTER INTERACTIONS . . . . . . . . 9
1.6 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2 ATOMS, MOLECULES, AND SOLIDS 15
2.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 ELECTRON ENERGY LEVELS IN ATOMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 MOLECULAR VIBRATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 MOLECULAR ROTATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 EXAMPLE: CARBON DIOXIDE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.6 CONDUCTORS AND INSULATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.7 SEMICONDUCTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.8 SEMICONDUCTOR JUNCTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.9 LIGHT-EMITTING DIODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.10 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
APPENDIX: ENERGY BANDS IN SOLIDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3 ABSORPTION, EMISSION, AND DISPERSION OF LIGHT 55
3.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 THE ELECTRON OSCILLATOR MODEL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.3 SPONTANEOUS EMISSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.4 ABSORPTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.5 ABSORPTION OF BROADBAND LIGHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
3.6 THERMAL RADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.7 EMISSION AND ABSORPTION OF NARROWBAND LIGHT . . . . . . . . 76
3.8 COLLISION BROADENING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
3.9 DOPPLER BROADENING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.10 THE VOIGT PROFILE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.11 RADIATIVE BROADENING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.12 ABSORPTION AND GAIN COEFFICIENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.13 EXAMPLE: SODIUM VAPOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.14 REFRACTIVE INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
3.15 ANOMALOUS DISPERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.16 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
APPENDIX: THE OSCILLATOR MODEL AND QUANTUM THEORY . . . . . 107
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4 LASER OSCILLATION: GAIN AND THRESHOLD 115
4.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.2 GAIN AND FEEDBACK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.3 THRESHOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4 PHOTON RATE EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.5 POPULATION RATE EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
4.6 COMPARISON WITH CHAPTER 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
4.7 THREE-LEVEL LASER SCHEME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
4.8 FOUR-LEVEL LASER SCHEME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
4.9 PUMPING THREE- AND FOUR-LEVEL LASERS . . . . . . . . . . . . . . 130
4.10 EXAMPLES OF THREE- AND FOUR-LEVEL LASERS . . . . . . . . . . . 132
4.11 SATURATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
4.12 SMALL-SIGNAL GAIN AND SATURATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.13 SPATIAL HOLE BURNING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.14 SPECTRAL HOLE BURNING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.15 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5 LASER OSCILLATION: POWER AND FREQUENCY 145
5.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.2 UNIFORM-FIELD APPROXIMATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.3 OPTIMAL OUTPUT COUPLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.4 EFFECT OF SPATIAL HOLE BURNING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.5 LARGE OUTPUT COUPLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.6 MEASURING GAIN AND OPTIMAL OUTPUT COUPLING . . . . . . . . 155
5.7 INHOMOGENEOUSLY BROADENED MEDIA . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.8 SPECTRAL HOLE BURNING AND THE LAMB DIP . . . . . . . . . . . . 159
5.9 FREQUENCY PULLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
5.10 OBTAINING SINGLE-MODE OSCILLATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
5.11 THE LASER LINEWIDTH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
5.12 POLARIZATION AND MODULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
5.13 FREQUENCY STABILIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
5.14 LASER POWER AT THRESHOLD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
APPENDIX: THE FABRY-P?EROT ETALON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6 MULTIMODE AND PULSED LASING 189
6.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.2 RATE EQUATIONS FOR INTENSITIES AND POPULATIONS . . . . . . . 189
6.3 RELAXATION OSCILLATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
6.4 Q SWITCHING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.5 METHODS OF Q SWITCHING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.6 MULTIMODE LASER OSCILLATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.7 PHASE-LOCKED OSCILLATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
6.8 MODE LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.9 AM MODE LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.10 FM MODE LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.11 METHODS OF MODE LOCKING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
6.12 AMPLIFICATION OF SHORT PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
6.13 AMPLIFIED SPONTANEOUS EMISSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.14 ULTRASHORT LIGHT PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
APPENDIX: DIFFRACTION OF LIGHT BY SOUND . . . . . . . . . . . . . . . 218
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7 LASER RESONATORS AND GAUSSIAN BEAMS 223
7.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.2 THE RAY MATRIX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
7.3 RESONATOR STABILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
7.4 THE PARAXIAL WAVE EQUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.5 GAUSSIAN BEAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.6 THE ABCD LAW FOR GAUSSIAN BEAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
7.7 GAUSSIAN BEAM MODES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
7.8 HIGHER-ORDER GAUSSIAN BEAM MODES . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
7.9 RESONATORS FOR He-Ne LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.10 DIFFRACTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
7.11 DIFFRACTION BY AN APERTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.12 DIFFRACTION THEORY OF RESONATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.13 BEAM QUALITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.14 UNSTABLE RESONATORS FOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.15 BESSEL BEAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
8 PROPAGATION OF LASER RADIATION 271
8.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
8.2 THE WAVE EQUATION FOR THE ELECTRIC FIELD . . . . . . . . . . . 272
8.3 GROUP VELOCITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
8.4 GROUP VELOCITY DISPERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8.5 CHIRPING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.6 PROPAGATION MODES IN FIBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.7 SINGLE-MODE FIBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
8.8 BIREFRINGENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
8.9 RAYLEIGH SCATTERING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
8.10 ATMOSPHERIC TURBULENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
8.11 THE COHERENCE DIAMETER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
8.12 BEAM WANDER AND SPREAD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
8.13 INTENSITY SCINTILLATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8.14 REMARKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
9 COHERENT RESONANCE AND PULSE PROPAGATION 329
9.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.2 TIME-DEPENDENT SCHR?ODINGER EQUATION . . . . . . . . . . . . . . 330
9.3 TWO-STATE ATOMS IN SINUSOIDAL FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . 331
9.4 DENSITY MATRIX AND COLLISIONAL RELAXATION . . . . . . . . . . 335
9.5 OPTICAL BLOCH EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
9.6 MAXWELL-BLOCH EQUATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
9.7 SEMICLASSICAL LASER THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
9.8 RESONANT PULSE PROPAGATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
9.9 SELF-INDUCED TRANSPARENCY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
9.10 ELECTROMAGNETICALLY INDUCED TRANSPARENCY . . . . . . . . . 362
9.11 TRANSIT-TIME BROADENING AND THE RAMSEY EFFECT . . . . . . 367
9.12 SUMMARY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
10 INTRODUCTION TO NONLINEAR OPTICS 375
10.1 MODEL FOR NONLINEAR POLARIZATION . . . . . . . . . . . . . . . . 375
10.2 NONLINEAR SUSCEPTIBILITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
10.3 SELF-FOCUSING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
10.4 SELF-PHASE MODULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
10.5 SECOND-HARMONIC GENERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
10.6 PHASE MATCHING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
10.7 THREE-WAVE MIXING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
10.8 PARAMETRIC AMPLIFICATION AND OSCILLATION . . . . . . . . . . 394
10.9 TWO-PHOTON DOWNCONVERSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
10.10 DISCUSSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
11 SOME SPECIFIC LASERS AND AMPLIFIERS 407
11.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
11.2 ELECTRON-IMPACT EXCITATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
11.3 EXCITATION TRANSFER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
11.4 He-Ne LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
11.5 RATE-EQUATION MODEL OF POPULATION INVERSION IN He-Ne
LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
11.6 RADIAL GAIN VARIATION IN He-Ne LASER TUBES . . . . . . . . . . . 416
11.7 CO2 ELECTRIC-DISCHARGE LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
11.8 GAS-DYNAMIC LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
11.9 CHEMICAL LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
11.10 EXCIMER LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
11.11 DYE LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
11.12 OPTICALLY PUMPED SOLID-STATE LASERS . . . . . . . . . . . . . . . 428
11.13 ULTRASHORT, SUPER-INTENSE PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
11.14 FIBER AMPLIFIERS AND LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
11.15 REMARKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
APPENDIX: GAIN OR ABSORPTION COEFFICIENT FOR VIBRATIONALROTATIONAL
TRANSITIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
12 PHOTONS 457
12.1 WHAT IS A PHOTON? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
12.2 PHOTON POLARIZATION: ALL OR NOTHING . . . . . . . . . . . . . . . 458
12.3 FAILURE OF CLASSICAL THEORY: RECOIL AND COINCIDENCE . . . 459
12.4 WAVE INTERFERENCE AND PHOTONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
12.5 PHOTON COUNTING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
12.6 THE POISSON DISTRIBUTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
12.7 PHOTON DETECTORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
12.8 REMARKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
13 COHERENCE 479
13.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.2 BRIGHTNESS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.3 THE COHERENCE OF LIGHT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
13.4 THE MUTUAL COHERENCE FUNCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
13.5 STATIONARY FIELDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
13.6 FRINGE VISIBILITY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
13.7 SPATIAL COHERENCE OF LIGHT FROM ORDINARY SOURCES . . . . 490
13.8 SPATIAL COHERENCE OF LASER RADIATION . . . . . . . . . . . . . . 494
13.9 DIFFRACTION OF LASER RADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
13.10 COHERENCE AND THE MICHELSON INTERFEROMETER . . . . . . . 497
13.11 TEMPORAL COHERENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
13.12 THE PHOTON DEGENERACY FACTOR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
13.13 ORDERS OF COHERENCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
13.14 PHOTON STATISTICS OF LASERS AND THERMAL SOURCES . . . . . 504
13.15 HANBURY BROWN-TWISS CORRELATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . 509
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
14 SOME APPLICATIONS OF LASERS 517
14.1 LIDAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
14.2 ADAPTIVE OPTICS FOR ASTRONOMY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
14.3 OPTICAL PUMPING AND SPIN-POLARIZED ATOMS . . . . . . . . . . 533
14.4 LASER COOLING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
14.5 TRAPPING ATOMS WITH LASERS AND MAGNETIC FIELDS . . . . . 556
14.6 BOSE-EINSTEIN CONDENSATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561
14.7 APPLICATIONS OF ULTRASHORT PULSES . . . . . . . . . . . . . . . . 566
14.8 LASERS IN MEDICINE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
14.9 REMARKS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
15 DIODE LASERS AND OPTICAL COMMUNICATIONS 597
15.1 INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
15.2 DIODE LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598
15.3 MODULATION OF DIODE LASERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
15.4 NOISE CHARACTERISTICS OF DIODE LASERS . . . . . . . . . . . . . . 616
15.5 INFORMATION AND NOISE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
15.6 OPTICAL COMMUNICATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
PROBLEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
16 APPENDICES: FORTRAN PROGRAMS 643
APPENDIX A. FORTRAN PROGRAM FOR DIFFERENTIAL EQUATIONS . . 643
APPENDIX B. FORTRAN PROGRAM FOR PLANE-WAVE PROPAGATION . 645
APPENDIX C. FORTRAN PROGRAM FOR PARAXIAL PROPAGATION . . . 647
Index 655

Library of Congress Subject Headings for this publication:

Lasers.
Nonlinear optics.
Physical optics.