中國海洋大學(xué)激光原理課程教學(xué)大綱PrinciplesofLasers【開課單位】信息科學(xué)與工程學(xué)院物理系【課程模塊】專業(yè)知識【課程編號】084303101243【課程類別】必修【學(xué)時數(shù)】64（理論52實踐12）【學(xué)分數(shù)】4一、課程描述本課程大綱根據(jù)2011年本科人才培養(yǎng)方案進行修訂。（一）教學(xué)對象光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)及其相關(guān)專業(yè)（物理學(xué)、海洋技術(shù)）的選課學(xué)生。（二）教學(xué)目標(biāo)及修讀要求1、教學(xué)目標(biāo)：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光科學(xué)中常用的基本概念、激光器的一般原理、光學(xué)諧振腔和激光的基本性質(zhì)，以及常用的激光技術(shù)的一般原理。并對激光理論、典型的激光器件和技術(shù)有所了解。2、修讀要求：作為光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)必修課和物理學(xué)專業(yè)的指定選修課，在三年級下學(xué)期開設(shè)，選課的學(xué)生應(yīng)具備光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理學(xué)等物理學(xué)科專業(yè)知識和應(yīng)用微分方程解決實際問題的能力。（三）先修課程高等微積分、量子力學(xué)基礎(chǔ)。二、教學(xué)內(nèi)容本課程教學(xué)內(nèi)容共分四大部分(知識模塊)：①激光的基本概念（緒言、第一章和第四章的前兩節(jié)），②光腔和腔內(nèi)的光場（第二章、第三章），③激光器的基本原理（第四章3-6節(jié)、第五章、第六章和第八章），④典型激光技術(shù)和激光器件介紹（第七章、第九章、第十章）。重點章節(jié)為第二章、第四章和第五章。課程采用雙語教學(xué)；為保證課程體系的系統(tǒng)性，在教學(xué)過程中還補充一些典型激光實驗原理和方法介紹（教材外內(nèi)容）；并按知識模塊順序授課，循序漸進。從概念到原理、從基本構(gòu)成概述到各部分的工作原理分析、從激光發(fā)展歷史簡介到典型激光技術(shù)與器件的討論。課外實踐遵循從感性到理性的原則從科研實驗室參觀到組織科研系列講座乃至科研試驗觀摩。（一）激光的基本概念（緒言、第一章和第四章1-2節(jié)）教學(xué)內(nèi)容中知識點的a,b,c標(biāo)注表示其教學(xué)目標(biāo)要求，分別為：a掌握，b理解，c了解三個層次1、教學(xué)內(nèi)容：該部分簡要介紹激光技術(shù)的發(fā)展歷史b（緒言），概述激光的基本原理（第一章），知識點包括：相干性光子描述a、光的受激輻射基本概念a、光的受激輻射放大a、光的自激振共5頁第2頁蕩a和激光的特性a，簡介光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論c（第四章的第一節(jié)），分析激光介質(zhì)的譜線加寬機制和線寬函數(shù)a（第四章的第二節(jié)）。2、教學(xué)要求：通過教學(xué)，使學(xué)生了解激光技術(shù)發(fā)展的簡史，掌握光的相干性和光波模式的聯(lián)系、光的受激輻射以及光放大和振蕩的基本概念，掌握氣體介質(zhì)均勻加寬和多普勒加寬的產(chǎn)生機制及其線型函數(shù)與線寬的數(shù)學(xué)表達式，理解固體和液體介質(zhì)加寬機制和綜合加寬的概念，并對激光器的各類近似理論有所了解。3、重點、難點：第一章討論的重點是光的相干性和光波模式的聯(lián)系、光的受激輻射以及光放大和振蕩的基本概念，在對譜線各類加寬的介紹中，重點討論自然線寬和多普勒加寬以及對洛倫茲線型函數(shù)和高斯線型函數(shù)的特性比較。光波的模式和光子狀態(tài)相格的討論是該部分教學(xué)的難點。在課程講授的前6個課時內(nèi)，如何在同學(xué)們現(xiàn)有的知識基礎(chǔ)上，引導(dǎo)他們用光子的觀點來描述相干性及其激光振蕩的基本思想是上好這門課的關(guān)鍵。4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：課外布置第一部分英語資料的閱讀作業(yè)、組織一次激光技術(shù)應(yīng)用科研實驗室參觀或一次激光科技講座。完成該部分內(nèi)容授課前，課內(nèi)安排2個課時的討論課以作對該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)總結(jié)。（二）光腔和腔內(nèi)的光場（第二章、第三章）1、教學(xué)內(nèi)容：該部分主要討論開放式光腔與高斯光束（第二章），知識點包括：光腔理論的一般問題a、共軸球面腔的穩(wěn)定性條件a、開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法b、平行平面腔模的迭代解法b、方形共焦腔的自再現(xiàn)模b、方形共焦腔的行波場性b、圓形鏡共焦腔b、一般穩(wěn)定球面腔的模式特征a、高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)a、高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律a、高斯光束的聚焦和準直a、高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔b、光束衍射倍率因子b、非穩(wěn)腔的幾何自再現(xiàn)波形c、非穩(wěn)腔的幾何放大率及自再現(xiàn)波形的能量損耗c；空心介質(zhì)波導(dǎo)光諧振腔c（第三章）為本課程的選修內(nèi)容。2、教學(xué)要求：通過教學(xué)，使學(xué)生了解光腔理論的相關(guān)概念、開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法；掌握共軸球面腔的穩(wěn)定性條件及判別方法；掌握穩(wěn)定球面腔與共焦腔的等價方法和模式特征；掌握共焦參數(shù)與高斯光束之間的關(guān)系式；理解高斯光束的基本特性及特征參數(shù)的物理意義；理解光束衍射倍率因子的物理意義及其關(guān)系式；掌握高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律，并應(yīng)用于分析光束的傳輸、聚焦和準直問題。并對非穩(wěn)腔和空心介質(zhì)波導(dǎo)光諧振腔的一般問題有所了解。3、重點、難點：第二章的重點是共軸球面腔的穩(wěn)定條件和模式特征分析和基模高斯光束的傳輸特性的討論。高斯光束的q參數(shù)描述是這一章教學(xué)的難點。如何以普通球面波為切入點，用類比的方法讓同學(xué)掌握高斯球面波的傳播特性是關(guān)鍵。4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：課外布置第二部分英語資料的閱讀作業(yè)，組織一次激光科技講座或激光技術(shù)試驗觀摩，并布置小組作業(yè)__以圖表的形式對第二章的知識點進行匯總。課內(nèi)安排2個課時的討論課以作對該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)總結(jié)。期中考試和考題講評討論共占用4個課內(nèi)學(xué)時。（三）激光器的基本原理（第四章3-6節(jié)、第五章、第六章和第八章）1、教學(xué)內(nèi)容：該部分主要討論電磁場和物質(zhì)的共振相互作用（第四章）中的典型激光器速率共5頁第3頁方程a、均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)a、非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)a和綜合加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)b；分析激光振蕩特性（第五章），包括激光器的振蕩閾值a、激光器的振蕩模式a、輸出功率與能量a、弛豫振蕩a、單模激光器的線寬極限b和激光器的頻率牽引b；并對激光放大特性（第五章）涉及的激光放大器的分類b、均勻激勵連續(xù)激光放大器的增益特性c、縱向光激勵連續(xù)激光放大器的增益特性c、脈沖激光放大器的增益特性c、放大的自發(fā)輻射b和光放大器的噪聲c等進行簡單介紹。激光振蕩的半經(jīng)典理論c（第八章）為本課程的選修內(nèi)容。2、教學(xué)要求：通過教學(xué)，使學(xué)生理解激光器/激光放大器工作的基本原理；掌握應(yīng)用速率方程理論分析解決問題的方法；掌握增益系數(shù)表達式和增益飽和行為及其燒孔效應(yīng)；理解發(fā)射/吸收截面、飽和光強的物理意義；理解激光器的振蕩閾值條件、模式競爭與空間燒孔；掌握輸出功率與能量的數(shù)學(xué)表達式；理解蘭姆凹陷、弛豫振蕩、線寬極限和頻率牽引現(xiàn)象；并對激光放大器的分類、放大的自發(fā)輻射等有所了解。3、重點、難點：第四章討論的重點是激光器的速率方程理論和增益飽和行為；對均勻加寬工作物質(zhì)增益系數(shù)的均勻飽和、非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)的燒孔效應(yīng)的討論是該章的難點。第五章討論的重點是激光器自激振蕩產(chǎn)生的閾值條件；對激光輸出功率的蘭姆凹陷現(xiàn)象的分析是該章的難點。4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：課外活動有個人期中考試總結(jié)、小組預(yù)約授課老師座談；并布置小組作業(yè)__對第四章和第五章的習(xí)題進行講解答辯。課內(nèi)安排2個課時的討論課以作對該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)總結(jié)。（四）典型激光技術(shù)和激光器件介紹（第七章、第九章、第十章）1、教學(xué)內(nèi)容：該部分主要討論激光器特性的控制與改善（第七章）中的模式選擇b、頻率穩(wěn)定b和Q調(diào)制b技術(shù)，簡介注入鎖定c和鎖模c技術(shù)；典型激光器和激光放大器b（第九章）的內(nèi)容穿插在激光基本原理和技術(shù)內(nèi)容中，作為實例進行介紹。半導(dǎo)體二極管激光器和激光放大器c（第十章）作為后繼課的拓展內(nèi)容，課內(nèi)只做簡介。2、教學(xué)要求：通過教學(xué)，使學(xué)生了解用于激光器特性的控制與改善的各類技術(shù)的實質(zhì)和意義；掌握常用的縱模橫模選擇方法的工作原理和光腔參數(shù)滿足的關(guān)系式；掌握常用穩(wěn)頻技術(shù)的工作原理以及頻率穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的表達式；理解通過Q調(diào)制產(chǎn)生巨脈沖激光輸出的過程，了解常用的Q調(diào)制方法及其分類；通過教學(xué)和觀摩，使學(xué)生理解典型激光器件的工作原理，并對各自的典型應(yīng)用有所了解。3、重點、難點：這一部分討論的重點是控制與改善激光器特性的典型技術(shù)，尤其是模式選擇、頻率穩(wěn)定和Q調(diào)制技術(shù)；復(fù)合腔選模的討論是該部分教學(xué)的難點。4、其它教學(xué)環(huán)節(jié)：課外組織一次激光科技講座或激光技術(shù)試驗觀摩。布置課外小組作業(yè)__為期末考試出一份試題并提供答案。課內(nèi)安排2個課時的討論課以作對該部分內(nèi)容的學(xué)習(xí)總結(jié)。共5頁第4頁三、教學(xué)環(huán)節(jié)及學(xué)時分配激光原理與技術(shù)的授課以原理為主，共分四個知識模塊。課堂教學(xué)總學(xué)時64學(xué)時，其中理論講授52學(xué)時，課堂討論12學(xué)時，課外實踐8學(xué)時，其學(xué)時分配見下表。激光原理與技術(shù)課程教學(xué)學(xué)時分配表教學(xué)內(nèi)容總學(xué)時課堂教學(xué)學(xué)時課外輔導(dǎo)/課外實踐學(xué)時備注理論講授實踐環(huán)節(jié)模塊一、激光的基本概念Part1TheBasicConceptsofLasers2緒言：激光技術(shù)的發(fā)展歷史Introduction__DevelopinghistoryofLasers211第一章激光的基本原理Chapter1TheBasicConceptsofLasers541第四章的前二節(jié)經(jīng)典理論(略)/線寬與線型介紹“Widths&ProfileofSpectralLines”inChapter433模塊二、光學(xué)諧振腔和腔內(nèi)光場Part2OpticalResonators&GaussianBeams2第二章開放式光腔與高斯光束Chapter2OpticalResonators&GaussianBeams20182第三章空心介質(zhì)波導(dǎo)光諧振腔(選修)期中考試與講評Themid-termexamination&comments44模塊三、激光器的工作原理Part3FundamentalPrinciplesofLasers2第四章電磁場和物質(zhì)的共振相互作用Chapter4InteractionofElectromagneticRadiation(Light)withMatter14131第五章激光振蕩特性Chapter5LaserOscillation(aboveThreshold)651第六章激光放大特性Chapter6LaserAmplifiers22第八章激光振蕩的半經(jīng)典理論(選修)模塊四、典型激光技術(shù)與器件介紹P