2023年激光原理与技术精品讲义.pdf

学习必备 欢迎下载 教 师 教 案 （2010 2011 学年第 2学期)课 程 名 称：激光原理与技术 授 课 学 时：64 授 课 班 级：光电工程与光通信 任 课 教 师：余学才 教 师 职 称：教 授 教师所在学院：光电信息学院 电子科技大学教务处 学习必备 欢迎下载 课程名称 激光原理与技术 授课专业 光通信 光电信息 班级 课程编号 修课人数 80 课程类型 必修 公共基础课()；学科基础课()；专业核心课()选修 专业选修()；任选课（）；公选课()；理论课()；实践课()授课方式 课堂讲授为主（）；实验为主（）；自学为主（）；专题讨论为主（）；其他：是否采用 多媒体授课 考核方式及成绩构成 考 试()考 查()成绩构成及比例：是否采用 双语教学 学时分配 讲授 学时；实验 学时；上机 学时；习题 学时；课程设计 学时 教材 名称 作者 出版社及出版时间 激光原理与技术 余学才 自编讲义 参考书目 1.激光原理 2.激光技术 3.激光原理与技术 1.周炳琨 2.蓝信钜 3.阎吉祥 1.国防工业出版社，第 5版，20XX 年第 12 次印刷 2.科学出版社，第 2 版，20XX 年第 7 此印刷 3.激光原理与技术，第 1 版，20XX 年第 4 次印刷 授课时间 第 1 周第 16 周 编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 第一章 光学谐振腔理论（10 学时）第一节 激光振荡条件(1 学时)一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）了解光波模式的基本概念，掌握激光振荡的增益条件和光学正反馈条件。技能培训：多光束干涉的分析方法。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：激光振荡条件的导出过程 难点：对往返一周相位差滞后 2整数倍的理解（往届学生的疑问：为什么不是经过反射镜反射后和出发点相遇相位差滞后 2整数倍？学生容易忽视的问题：光学往返一周等同于几何路径一周）拓宽：和电路振荡器与微波谐振腔比较的异同 三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过计算空腔中的光波模式数目得到频谱浓缩的结论，通过减小位数降低模式数目过渡到光学谐振腔；和学生一起推导多光束干涉以获得光学振荡条件-1.列出每一束光束；（2）等比级数的求和；（3）复函数分解 振荡条件中第一个条件的三种表述：（1）光学正反馈条件；（2）驻波条件（3）腔长等于半波长整数倍 难点解决：（1）导出反射镜反射后和出发点相遇相位差滞后 2整数倍正反馈条件，比较往返一周相位差滞后 2整数倍，第一个条件依赖于出发点位置，第二个条件与出发点无关。（2）通过课堂提示和作业（1）让学生区别光学往返一周和几何路径一周光学正反馈的区别。四、作业 练习 2.说明振荡条件qkL22为什么又叫驻波条件。当其中一个反射镜有的反射相移时 这个公式应该怎样修改？练习 3.推导公式（1.117）。英语词汇:Laser-light amplification by stimulated emission of radiation,resonator,optical cavity,round trip 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第二节 开放光学球面谐振腔的稳定性（2 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握稳定性判别原理和方法。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：1.稳定性条件的导出过程；2.稳定性条件在不同结构谐振腔中应用。难点：稳定性条件的物理意义 三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过讲义中的两个例子说明稳定性条件在不同谐振腔中的应用；通过课堂练习 1 和练习 2 加深稳定性条件的应用；练习 1 证明稳定性条件（1.210）与光线初始位置选择无关；练习 2 证明平凹腔（),21RRR的稳定性条件为LR。强调：谐振腔不稳定时，小增益系数激光器不出光，结合振荡条件引导学生得出：不稳定损耗太大，稳定时损耗很小的结论。四、作业 练习 3 证明凹凸腔（)0,021RR也可能是稳定的，但平凸腔（)0,21RR一定是非稳定的。练习 4 通过计算 R1=R2=2L 的共焦腔的往返矩阵元，画出傍轴光线光路。练习 5 对图 1-7所示的谐振腔，如果 R=5 米，l=1 米，F=25cm，用 Matlab 编程计算往返矩阵，并找出使谐振腔稳定的 l1 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）英语词汇：stable cavity，unstable cavity,cofocal cavity 编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第三节 光学谐振腔的损耗（1 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握光学谐振腔几种损耗术语与概念。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：损耗的几种描述 拓宽：Q 值在微波腔中-品质因素（微波技术，顾继慧编著，p197），3dB 带宽的定义，无源线宽：傅里叶变换的一个例子 三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）几种损耗的定义与公式导出，通过课堂讨论：线宽的导出时，连续谱傅里叶变换过程，功率谱的定义，3dB定义交待清楚。编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 四、作业 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写 第四节 开放谐振腔模式衍射理论（4 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）了解衍射积分理论，掌握基模参数的计算公式，熟悉高阶模的特点。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：自再现积分方程的推导，共焦腔积分方程的分离变量，厄密-高斯解的特点 难点：自再现概念，近似条件 拓展：菲涅尔衍射积分方程 三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）菲涅尔衍射积分方程的回顾，积分核的近似，相位因子和振幅因子不同近似，基模场和高阶模场的分布特点，等相位面的分布。通过课堂讨论建立自在现模积分方程、建立等相位面方程。英语词汇：self construction 四、作业 练习 1 讨论（1.46）的近似条件，说明振幅近似条件和相位近似条件的不同 练习 1 证明（1.418）式 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 第五节 一般球面稳定腔模式（1 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用，技能训练、能力培养的要求等）掌握一般球面稳定腔的模式共焦参数的求解方法，能够灵活自在现高斯光束的求解方法。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：一般球面腔与共焦腔的等价性 难点：等价的含义，横模等价，纵模不等价。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）课堂讨论建立方程（1.5.2）、（1.5.3）、（1.5.4）、（1.5.5）、（1.5.9）结合第一节的振荡条件 四、作业 练习 1 证明（1.53）式 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 第六节 非稳腔（1 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握共轭像点的计算公式，了解虚共焦望远镜腔。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：虚共焦望远镜腔.其中共轭像点稳定性的公式，上届有学生反映看不懂。必须在课堂上推导。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过课堂讨论建立共轭像点及其稳定性方程。四、作业 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 第二章 高斯光束及其特性（10 学时）第一节 基模高斯光束（3 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握高斯光束 q 参数的表达式、能够熟练应用 ABCD 定律，了解傍轴近似的物理意义和数学含义。了解高斯光束和球面波的区别和联系高斯光束在线性光学系统中的变换、掌握高斯光束的自再现变换与稳定球面腔模式的关系。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：高斯光束 q 参数、高斯光束等相位面、光斑半径、ABCD 定律，自再现高斯光束和球面谐振腔的关系。难点：ABCD 定律的证明 深化：傍轴近似 三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）由傍轴近似得到高斯光束解数学过程要讲解完整，使学生建立高斯光束的数学依据，并由此自然引出 q 参数。ABCD 证明过程要讲解完整，强调光线和波阵面关系。讲清高斯光束自再现含义：波阵面重合，场分布相同。球面稳定腔自再现高斯光束的公式和等效共焦腔的公式比较。设立课程设计：分析图 2-8所示的谢振腔的稳定性和自在线高斯光束。编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 要求:追踪光线在谐振腔内的轨迹、求自再现高斯光束和非自在线高斯光束在腔内的光斑半径，画出光斑半径轨迹，验证自在现 四、作业 练习 1，联系 2 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第二节 高阶高斯光束（1 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）了解拉盖尔-高斯光束和厄米-高斯光束 二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）了解在某些情况下，需要设计到高阶高斯光束。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）简单介绍高阶高斯光束的数学解，以光纤波导耦合为例子说明如何涉及到高斯光束。通过课堂讨论建立共轭像点及其稳定性方程。四、作业 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光学习必备 欢迎下载 否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第三节 高斯光束变换（1 学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握共轭像点的计算公式，了解虚共焦望远镜腔。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：虚共焦望远镜腔 三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过课堂讨论建立共轭像点及其稳定性方程。四、作业 五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）编号授课专业光通信光电信息班级修课人数必修公共基础课学科基础课成及比例是否采用多媒体授课是否采用双语教学学时分配讲授学时实验阎吉祥国防工业出版社第版年第次印刷科学出版社第版年第此印刷激光