《激光原理与技术》课程教学大纲.docx

激光原理与技术教学大纲一、课程基本信息课程名称激光原理与技术Laser Principle and Technology课程编码SCC622111030开课院部理学院课程团队激光原理与技术学分2.0课内学时32讲授32实验0上机0实践0课外学时32适用专业光电信息科学与工程授课语言中文先修课程高等数学（2-1）.高等数学（2-2）、数学物理方法及应用、量子力学、电磁场与电磁波课程简介（必修）激光原理与技术是光学的一个重要分支，主要研究激光形成原理，激光器件的各部件的工作原理，主要的激光技术的基本原理和实施 方法。在现代信息科学特别是光电信息科学中占有重要地位。激光的产生具有划时代的意义，无论在科学发展还是技术应用上都有广阔的 应用前景。该课程是光电信息科学与工程专业必修的专业核心课程，对专业人才的培养具有至关重要的作用。课程教学内容包括激光产生 的物理基础，激光谐振腔与高斯光束，电磁场与物质的相互作用，激光振荡的形成与输出特性，典型激光器以及激光器特性改进技术等。 课程的教学目标是：通过本课程的学习，使学生掌握激光产生和形成的基本原理，培养学生的理论思维能力，训练学生分析和解决实际问 题的能力；使学生能较全面地掌握激光器的基本原理和理论，学会基本激光技术，为光电材料器件、光电检测技术、光通信技术等后继课 程打下基础，也为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下必要的专业理论基础。Principles and Technology of Lasers is an important branch of optics, mainly to study the principles of laser formation, the working principle of the various components of laser devices, the main principles of laser technology and implementation methods. In modern information science, especially optoelectronic information science occupies an important position. The emergence of laser has a epoch-making significance, both in scientific development or technology applications have broad applicat ion prospects. The course is a professional core course of optoelectronic information science and engineering, which is of vital importance to the cultivation of professional talents. The teaching contents include the physical basis of laser generation, the interaction between laser resonator and Gaussian beam, electromagnetic field and matter, the formation and output characteristics of laser oscillation, the typical laser and the improvement of laser characteristics. The teaching objectives of the course are: through this course, make students master laser and formed the basic principle of cultivating students* theoretical thinking ability, training students' ability of analyzing and solving practical problems, to enable students to fully master the basic principle and theory of laser, learn basic laser technology, lay the foundation for the subsequent course of optoelectronic materials anddevices the photoelectric detection technology, optical communication technology, but also for the students to become the future lay a necessary theoretical foundation for the professional talents of photoelectric management, design and development.负责人大纲执笔人审核人二、课程目标序号代号课程目标OBE毕业要求指标点任务自选1Ml目标1 ：能够理解并掌握激光原理与技术的基本概念和基本原理，例如激光的特性、光和物质相互作 用规律、激光的产生条件、光谐振腔理论、高斯光束理论、谱线加宽机制与线型函数、速率方程理 论、激光的增益与振荡特性等，并能够运用激光的基本理论和数学模型解决与激光器及激光应用技 术相关的复杂工程问题是1. 32M2目标2 ：能够运用激光的基本原理，通过分析和总结和相关文献等寻求激光产生、激光谐振腔的稳定 分析、所需光束的获得、激光输出的调控等复杂工程问题的合理解决方案，并获得有效的结论是2.33M3目标3 ：针对激光实际应用的复杂工程问题，能够根据实际需求设计满足一定激光模式、频率、光束 质量等的激光谐振腔，进而构建激光系统是3.24M4目标4 ： 了解激光及其应用领域的国际发展趋势、研究热点，并具有自主学习的能力，包括对技术问 题的理解能力，归纳总结的能力和提出问题的能力等是12.212.2三、课程内容序号章节号标题课程内容/重难点支撑课 程目标课内 学时教学方式课外 学时课外环节1第0章第0章绪论本章主要介绍激光发展历史以及发展趋势，激光的基本原理和 应用。介绍课程要求和考核标准。M1,M41讲授1线上学习 教学大纲2第1章第1章激光的物 理基础本章的重点和难点：激光的产生条件、激光的模式与状态、激 光的特征。/31. 11.1光波模式和光 子态光波模式，光子态，光子简并度；相干性。Ml0.5讲授0. 5作业41.21.2光和物质的三原子与分子状态的描述；自发辐射，受激辐射，受激吸收；爱Ml1讲授1线上学种相互作用因斯坦关系。习，作业51.31.3激光的产生集居数反转；光的受激放大，增益饱和与自激振荡；阈值与稳 定条件。Ml1讲授1线上学 习，作业61.41. 4激光的特性激光的方向性、单色性、高亮度、相干性。Ml0.5讲授0.5作业，线 上单元测 试7第2章第2章光学谐振 腔与高斯光束（激光光学）本章的重点和难点：光学谐振腔的结构、共焦腔的光束特性及 基模分布、高斯光束及通过光学系统时的变换。/82. 12.1光腔理论的一 般问题谐振腔的结构与分类；激光模式的概念；光腔损耗，光腔损耗 的描述。Ml2讲授1线上学 习，作业92.22. 2共轴球面腔的 稳定条件（ABCD 矩阵理论）光线传输矩阵；光腔稳定条件，两镜腔的稳区图。Ml, M21讲授1线上学 习，作业102.32. 3对称共焦腔的 自再现模开腔模式概念，Fox-Li方法，自再现模本征积分方程；横模振 幅分布特征，几种典型谐振腔的谐振频率；高斯光束。Ml, M22讲授2线上学 习，作业112.42. 4 一般稳定腔的 高斯光束任何一个共焦腔与无穷多个稳定球面腔等价，镜面上的光斑尺 寸，模体积，谐振频率，衍射损耗，基模远场发散角Ml, M22讲授2线上学 习，作业122.52.5高斯光束的传 输与变换高斯光束的传播规律，薄透镜对高斯光束q参数的变换；高斯 光束的聚焦和准直。Ml, M22讲授2线上学 习，作业132.62.6谐振腔的图解 分析方法传播圆方法；两镜腔分析方法，多镜腔分析方法；激光介质的 热效应。M31讲授2研究性学 习,完成 谐振腔设 计，线上 单元测试14第3章第3章光与激光 工作物质的共振相本章的重点和难点：谱线加宽机制、速率方程理论、能级系 统、增益系数与增益饱和。/互作用153. 13. 1光和物质相互 作用的经典理论电偶极近似模型，受激吸收和色散现象的麦克斯韦理论。Ml, M20讲授1线上学 习，作业163.23. 2谱线加宽机制 和加宽线型自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽，多普勒加宽和晶格缺陷 加宽，综合加宽。Ml, M22讲授2线上学 习，作业173. 33. 3典型激光器速 率方程三能级系统与四能级系统；单模速率方程，多模速率方程。Ml, M21讲授1线上学 习，作业183.43. 4工作物质的增 益系数增益系数的定义，均匀加宽的增益饱和与增益系数，非均匀加 宽工作物质的增益系数。Ml, M22讲授1线上学 习，作业19第4章第4章激光振荡 特性本章的重点和难点：激光器振荡的阈值条件，激光形成过程中 的模竞争，激光输出功率，驰豫振荡特性及激光放大器。/204. 14.1激光产生的阈 值条件阈值反转集聚数密度；增益与损耗，阈值条件。Ml, M21讲授1线上学 习，作业214.24. 2激光器的振荡 模式均匀加宽、非均匀加宽激光器的输出模式、功率等工作特性。Ml, M21讲授1线上学 习，作业224.34. 3激光器的输出 功率和与能量小信号增益系数、阈值增益系数；空间烧孔，兰姆凹陷。Ml, M21讲授1线上学 习，作业234.44. 4脉冲激光器工 作特性弛豫振荡，小信号微扰，非稳态速率方程。Ml, M21讲授1线上学 习，作业244.54. 5激光放大器固体激光放大器，掺钥光纤放大器，脉冲激光放大器。M2, M41讲授2线上学 习，线上 单元测试25第5章第5章激光特性 的控制（激光技 术）本章的重点和难点：短脉冲及超短脉冲激光的获得，激光频率 变换技术，选模与频率稳定技术。/265. 15.1模式选择技术横模选择原理与方法，纵模选择原理与方法。M2, M31讲授1线上学 习，作业275.25. 2稳频技术影响频率稳定性的因素，兰姆凹陷法稳频，塞曼效应稳频，饱 和吸收法稳频。M2, M31讲授1线上学 习，作业285.35. 3短脉冲及超短 脉冲技术调Q原理，电光调Q,声光调Q,可饱和吸收调Q,透射式调 Q,锁模原理，锁模方法。M3, M41讲授1线上学 习，作业295.45.4激光的非线性 频率变换技术非线性光学基本原理，倍频技术，参量振荡技术。M3, M41讲授1线上学 习，线上 单元测试30第6章第6章典型激光 器件本章的重点和难点：各种激光器的原理、构成和运行特点。/316. 16.1激光器的分类 及特点按工作物质的不同分类；按工作方式不同的分类。M1,M41讲授1线上学习326.26. 2固体激光器板条激光器，光纤激光器，掺钛蓝宝石激光器，全固态激光 器。M1,M41讲授1线上学习336.36. 3气体激光器氨-氮激光器，敏离子激光器，二氧化碳激光器，准分子激光 器。M1,M41讲授1线上学习346.46. 4染料激光器共轨双键有机化合物，能级结构，光路图，可调谐激光器M1,M40.5讲授0. 5线上学习356.56. 5光纤激光器光纤拉曼激光器，掺杂光纤激光器，光纤激光器的腔型、阈值 和输出功率，双包层光纤激光器，主动锁模掺管光纤激光器M1,M40.5讲授0.5线上单元 测试四、考核方式序号考核环节操作细节总评占比1平时作业1 .每周布置2-3道题目，平均每次课1道题以上。2 .成绩采用白分制，根据作业完成准确性、是否按时上交、是否独立完成评分。3 .考核学生对电力拖动自动控制系统基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力题型主要 有作图、分析和计算题。20%2单元测验1 .本课程6个次单元测验。2 .成绩采用百分制，根据测验完成情况评分。3 .考核学生对对激光原理与技术基础知识的掌握程度。15%3研究性学 习1 .本课程要求利用Matlab等现代仿真工具建立研究对象的模型，设计出解决复杂工程问题的激光谐振腔等。2 .根据模型建立情况的准确性评分。10%4课程论文1 .给定论文题目范围，根据所学的激光原理知识，通过查阅参考文献，给出问题的解决方案。2 .根据论文的完成情况评分。10%5考勤与课 堂表现刷卡点名；随机检查学生上课精神状态、回答问题情况5%6期末考试1 .闭卷考试，成绩采用百分制，卷面成绩总分100分。2 .主要考核学生对激光原理与技术基本知识的掌握能力，学生综合运用所学知识分析问题、解决问题的能力，题型主要 有简答题、设计题、分析题、计算题等。40%五、评分细则序号课程目标考核环节大致占比评分等级1Ml平时作业20%A-独立思考、按时完成，解答规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确；B-独立思考、按时 完成，解答比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确率高；C-独立思考、按时 完成，解答基本规范，解题思路基本清晰、步骤基本完整、格式基本合理、答案基本准确；D-作业抄袭， 未能按时完成，解题思路混乱，解答错误2Ml单元测验30%利用女课堂在线平台进行阶段测试成绩。3Ml期末考试50%见试卷评分标准4M2平时作业10%A-独立思考、按时完成，解答规范，解题思路清晰、步骤完整、格式合理、答案准确；B-独立思考、按时 完成，解答比较规范，解题思路比较清晰、步骤比较完整、格式合理、答案准确率高;c-独立思考、按时 完成，解答基本规范，解题思路基本清晰、步骤基本完整、格式基本合理、答案基本准确；D-作业抄袭， 未能按时完成，解题思路混乱，解答错误5M2单元测验30%利用云课堂在线平台进行阶段测试成绩。6M2课程论文20%A-阅读文献9篇以上，找出3种以上的解决方案，并能清晰地描述各方案；不同解决方案对比分析清楚， 归纳全面止确，结论正确；叙述清楚、分析有逻辑性；撰写符合规范，分析表述内容层次分明，主题明 确；B-阅读文献5篇以上，找出3种解决方案，并能较清晰地描述各方案；不同解决方案对比分析较清 楚，归纳全面，结论正确；叙述清楚、逻辑性较好；撰写符合规范，分析表述内容层次较好，主题基本明 确；C-阅读文献3篇以上，找出2种解决方案，并能较清晰地描述各方案；对小同解决方案进行对比分析，对分析结果进行归纳总结；叙述清楚、逻辑性一般；撰写尚可，分析表述内容基本符合要求；D-阅读 文献3篇以下，没有找出2种解决方案；没有对不同的方案进行对比分析，没有归纳总结；叙述含糊、逻 辑性差；撰写不合规范，分析表述内容欠清晰。7M2期末考试40%见试卷评分标准8M3课程论文30%A-阅读文献9篇以上，找出3种以上的解决方案，并能清晰地描述各方案；不同解决方案对比分析清楚， 归纳全面止确，结论正确；叙述清楚、分析有逻辑性；撰写符合规范，分析表述内容层次分明，主题明 确；B-阅读文献5篇以上，找出3种解决方案，并能较清晰地描述各方案；不同解决方案对比分析较清 楚，归纳全面，结论正确；叙述清楚、逻辑性较好；撰写符合规范，分析表述内容层次较好，主题基本明 确；C-阅读文献3篇以上，找出2种解决方案，并能较清晰地描述各方案；对不同解决方案进行对比分 析，对分析结果进行归纳总结；叙述清楚、逻辑性一般；撰写尚可，分析表述内容基本符合要求；D-阅读 文献3篇以下，没有找出2种解决方案；没有对不同的方案进行对比分析，没有归纳总结；叙述含糊、逻 辑性差；撰写不合规范，分析表述内容欠清晰。9M3研究性学 习40%A-在题目要求的基础上，另有发挥，且全部实现。不同解决方案对比分析清楚，归纳全面正确，结论正 确。B-实现了题目要求，有部分发挥功能，但是不完善。不同解决方案对比分析较清楚，归纳全面，结论 正确。C-部分实现了题目要求。对不同解决方案进行对比分析，对分析结果进行归纳总结。D-程序未实现 题目要求。没有对不同的方案进行对比分析，没有归纳总结。10M3期末考试30%见试卷评分标准11M4考勤与课 堂表现30%综合考虑12M4期末考试70%见试卷评分标准评分等级说明：A, B, C, D, E = 90-100, 80-89, 70-79, 60-69, 0-59; A, B, C, D = 90-100, 75-89, 60-74, 0-59; A, B, C = 90-100, 75-89, 60-74, 0-59; A, B = 80-100, 0-79六、教材与参考资料序号教学参考资料明细1图书1激光原理（第7版），周炳坤，高以智，陈倜崂，陈家骅，霍力，国防工业出版社，北京，2014. 11, ISBN:978-7718-096657. （*主教 材）2图书1激光原理与技术，校内油印，2016.3图书1激光原理与技术,安毓英，刘继芳,曹长庆，科学出版社，北京，2010. 2, ISBN:978-7-03-026622-4.4图书 Principles of Lasers, Orazio Svelto, Plenum Press, New York and London, 1998, ISBN:978-7-5062-9156-9.