《激光原理與技術(shù)》課程教學(xué)大綱

PAGE1PAGE4激光原理與技術(shù)課程教學(xué)大綱（Principles&TechnologyofLasers） 學(xué)時(shí)數(shù)：48其中：實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：0課外學(xué)時(shí)：0學(xué)分?jǐn)?shù)：3適用專(zhuān)業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)一、課程的性質(zhì)、目的和任務(wù)激光技術(shù)是上世紀(jì)六十年代初發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興科學(xué)。激光的問(wèn)世引起了現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的巨大變革，并對(duì)光電子技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展起到重要的推進(jìn)作用，激光在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、通訊、國(guó)防、科學(xué)等方面具有廣泛的應(yīng)用。本課程為光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科生設(shè)計(jì)的學(xué)科基礎(chǔ)課，旨在介紹激光的基本原理及其在工程中的應(yīng)用，使學(xué)生對(duì)激光的基本原理、常用的激光技術(shù)、激光器件及激光在工程技術(shù)中的應(yīng)用等有比較充分的了解。課程主要內(nèi)容包括：受激輻射的基本概念，激光的產(chǎn)生過(guò)程和主要特性，開(kāi)放式光腔的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，高斯光束的特點(diǎn)及傳輸規(guī)律，譜線(xiàn)加寬的產(chǎn)生機(jī)理和線(xiàn)型函數(shù)，激光的振蕩特性，激光的放大、模式選擇、調(diào)Q、鎖模等技術(shù)，并對(duì)固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器等典型激光器的結(jié)構(gòu)、工作物質(zhì)及其應(yīng)用進(jìn)行介紹。通過(guò)課堂教學(xué)使學(xué)生掌握激光的基本原理和常用的激光技術(shù)、激光器件，并對(duì)激光在工程技術(shù)中的應(yīng)用等有比較充分的了解。二、課程教學(xué)的基本要求（一）了解并掌握平衡熱輻射場(chǎng)的輻射特點(diǎn)和輻射能量密度分布。（二）掌握共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，并熟練運(yùn)用。（三）掌握三能級(jí)系統(tǒng)中粒子躍遷過(guò)程及三能級(jí)系統(tǒng)激光器的速率方程組。（四）了解并掌握三能級(jí)、四能級(jí)系統(tǒng)激光器的閾值泵浦功率和閾值泵浦能量。（五）掌握縱向光激勵(lì)激光放大器的增益特性。（六）掌握激光器橫模選擇的物理基礎(chǔ)和模式選擇方法。（七）理解典型固體激光器的工作物質(zhì)、光譜特性、光腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。三、課程的教學(xué)內(nèi)容、重點(diǎn)和難點(diǎn)第一章激光的基本原理主要內(nèi)容：重點(diǎn)：光的二象性，平衡熱輻射場(chǎng)的輻射特點(diǎn)和輻射能量密度分布，自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收的基本概念，受激輻射放大產(chǎn)生過(guò)程，激光的主要特點(diǎn)。難點(diǎn)：自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收的概念，受激輻射放大產(chǎn)生過(guò)程。光的本性即光的二象性，受激輻射的基本概念，光的受激輻射放大，光的自激振蕩，激光的特性。第二章開(kāi)放式光腔和高斯光束主要內(nèi)容：光腔理論的一般問(wèn)題，共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，開(kāi)腔模式的物理概念及衍射理論分析方法，方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模，方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)，圓形鏡共焦腔，高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換規(guī)律，一般穩(wěn)定球面腔的模式特征，高斯光束的基本性質(zhì)和特征參數(shù)，高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律，聚焦和準(zhǔn)直。重點(diǎn)：激光器的基本結(jié)構(gòu)，光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)和種類(lèi)，共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，激光橫模的概念和光強(qiáng)分布特點(diǎn)，高斯光束的特征參數(shù)及傳輸規(guī)律，高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換規(guī)律，高斯光束聚焦和準(zhǔn)直。難點(diǎn)：共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，激光橫模的概念和光強(qiáng)分布特點(diǎn)，高斯光束的特征參數(shù)及傳輸規(guī)律，高斯光束通過(guò)薄透鏡時(shí)的變換規(guī)律。第三章電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用主要內(nèi)容：光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡(jiǎn)介，譜線(xiàn)加寬和線(xiàn)型函數(shù)，典型激光器的速率方程組，均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)，非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)。重點(diǎn)：譜線(xiàn)加寬的形成機(jī)理和線(xiàn)型函數(shù)的表達(dá)，激光能級(jí)系統(tǒng)中粒子躍遷過(guò)程及激光器的速率方程組，均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)和飽和特性，非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)和飽和特性。難點(diǎn)：激光器的速率方程組，均勻加寬工作物質(zhì)的飽和特性，非均勻加寬工作物質(zhì)的飽和特性。第四章激光振蕩特性主要內(nèi)容：激光器振蕩閾值，激光器的振蕩模式，輸出功率與能量，馳豫振蕩。重點(diǎn)：激光器振蕩閾值、閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度、閾值增益系數(shù)等概念，激光器振蕩模式競(jìng)爭(zhēng)，三能級(jí)、四能級(jí)系統(tǒng)激光器的閾值泵浦功率和閾值泵浦能量，空間燒孔、蘭姆凹陷等物理概念及形成機(jī)理，激光器馳豫振蕩的概念及形成過(guò)程。難點(diǎn)：激光器振蕩模式競(jìng)爭(zhēng)，，空間燒孔、蘭姆凹陷等物理概念及形成機(jī)理，激光器馳豫振蕩的概念及形成過(guò)程。第五章激光的放大技術(shù)主要內(nèi)容：激光放大器的分類(lèi)，均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性，縱向光激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性，光纖放大器，放大的自發(fā)輻射。重點(diǎn)：典型激光放大器的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)，均勻激勵(lì)激光放大器的增益特性，縱向光激勵(lì)激光放大器的增益特性，摻鉺光纖放大器（EDFA）、摻鐠光纖放大器（PDFA）的特性和能級(jí)構(gòu)成，放大的自發(fā)輻射及其應(yīng)用。難點(diǎn)：均勻激勵(lì)激光放大器的增益特性，縱向光激勵(lì)激光放大器的增益特性。第六章激光器特性控制技術(shù)主要內(nèi)容：激光模式選擇，Q調(diào)制的原理及主要方法，鎖模的原理及主要方法。重點(diǎn)：激光器橫模、縱模選擇的物理基礎(chǔ)和模式選擇方法，調(diào)Q技術(shù)的意義、原理和實(shí)現(xiàn)方法，鎖模的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。難點(diǎn)：調(diào)Q的原理，鎖模的原理。第七章典型激光器主要內(nèi)容：固體激光器，氣體激光器，半導(dǎo)體激光器重點(diǎn)：典型固體激光器和氣體激光器的工作物質(zhì)、光譜特性、光腔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，半導(dǎo)體激光器中的載流子約束和光約束作用，半導(dǎo)體激光器的主要特性。激光器橫模、縱模選擇的物理基礎(chǔ)和模式選擇方法，調(diào)Q技術(shù)的意義、原理和實(shí)現(xiàn)方法，鎖模的原理和實(shí)現(xiàn)技術(shù)。難點(diǎn)：典型固體激光器和氣體激光器光譜特性，半導(dǎo)體激光器中的載流子約束和光約束作用。第八章激光在工業(yè)中的一些應(yīng)用主要內(nèi)容：激光加工，激光測(cè)距，激光通訊，激光傳感重點(diǎn)：激光加工的原理和主要技術(shù)特點(diǎn)，激光測(cè)距的原理和主要技術(shù)特點(diǎn)，激光通訊的原理和主要技術(shù)特點(diǎn)，激光傳感的原理和主要技術(shù)特點(diǎn)。難點(diǎn)：激光測(cè)距的原理，激光通訊的原理，激光傳感的原理。五、學(xué)時(shí)分配章節(jié)主要內(nèi)容各教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)時(shí)分配作業(yè)題量備注講授實(shí)驗(yàn)討論習(xí)題課外其它小計(jì)一激光的基本原理446二開(kāi)放式光腔和高斯光束8198三電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用553四激光振蕩特性4155五激光的放大技術(shù)5164六激光器特性控制技術(shù)4156七典型激光器6174八激光在工業(yè)中的一些應(yīng)用22152總復(fù)習(xí)22合計(jì)40264838六、課程與其它課程的聯(lián)系本課程是在學(xué)生掌握了光學(xué)、高等數(shù)學(xué)、熱力學(xué)的基礎(chǔ)上開(kāi)設(shè)的，本課程的學(xué)習(xí)有助于學(xué)生了解光電子技術(shù)、光纖通信系統(tǒng)等課程相關(guān)內(nèi)容，可于上述課程并行開(kāi)設(shè)。七、教材與教學(xué)參考書(shū)（一）教材周炳琨、高