激光原理與技術(shù)CDIO教學(xué)大綱

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上激光原理與技術(shù)課程教學(xué)大綱一、課程代碼與名稱課程代碼：計劃上未給出中文名稱：激光原理與技術(shù)英文名稱：Laser Principles and Technology二、課程概述及相關(guān)課程關(guān)系激光原理與技術(shù)是為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、光信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)開設(shè)的核心必修專業(yè)方向課程（這里未管材料物理的選修課）。該課程理論性、應(yīng)用性、工程背景和實踐性都很強，在光電子和光信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。本課程主要講授激光產(chǎn)生和形成的基本原理以及控制和改善激光特性的典型激光技術(shù)。內(nèi)容上涉及激光特性描述、開放式光腔及其激光模式分析、光和物質(zhì)共振相互作用、譜線加寬與線型函數(shù)、典型激光

2、器的速率方程、激光的振蕩特性、激光的放大特性、典型激光技術(shù)的原理和種類等。通過本課程的學(xué)習(xí)，通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光產(chǎn)生和形成的基本原理以及控制和改善激光特性的典型激光技術(shù)，在培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力的同時，訓(xùn)練學(xué)生分析和解決實際問題的能力。為學(xué)生將來成為光電方面的管理、開發(fā)和設(shè)計的高級人才打下必要的專業(yè)理論基礎(chǔ)。相關(guān)課程及項目關(guān)系：（從左到右為時間順序、從上到下為開課時序）三、課程教學(xué)對象與教學(xué)目的適用專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)、光信息信息科學(xué)與技術(shù)、材料物理學(xué)等本科專業(yè)。教學(xué)目的：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光與激光技術(shù)中的基本概念、基本原理和分析方法；掌握穩(wěn)定式和非穩(wěn)定式開放光腔與其輸

3、出激光模式的關(guān)系；掌握和理解工作物質(zhì)加寬機制與激光振蕩模式及輸出特性的關(guān)系；掌握改善可控制激光輸出特性的典型激光技術(shù)如放大、選模、穩(wěn)頻、調(diào)Q、鎖模等的基本原理、方法和種類。使學(xué)生了解激光原理與技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、國防、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，初步樹立激光器件設(shè)計的工程意識。提高學(xué)生分析、解決光電領(lǐng)域中諸如管理與維護、開發(fā)與設(shè)計等問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問題的邏輯性、靈活性與廣闊性，為學(xué)生將來成為光電方面的管理、開發(fā)和設(shè)計的高級人才打下堅實的專業(yè)理論基礎(chǔ)。本課程具體完成培養(yǎng)方案中以下指標(biāo)，重點完成指標(biāo)1.1、1.2、2.1、2.2。一級指標(biāo)二級指標(biāo)達標(biāo)要求1 技術(shù)基礎(chǔ)知識1.1 運用基本學(xué)科知

4、識能力AB1.2 應(yīng)用核心工程基礎(chǔ)知識和原理ABC2 個人能力和專業(yè)能力2.1 工程推理及解決問題能力BC2.2掌握工程實踐所需的個人能力BCD2.3掌握工程實踐所需的職業(yè)能力AC3 人際交往能力、團隊工作和交流3.1 團隊合作能力C3.2 人際交流能力B4 在社會環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計、實現(xiàn)、運行系統(tǒng)的能力4.1外部和社會背景環(huán)境AD4.2企業(yè)與商業(yè)環(huán)境D4.3系統(tǒng)的構(gòu)思與工程化D*注：該表所列指標(biāo)可對照培養(yǎng)方案中所列指標(biāo)來解釋。A：認知，指從教、學(xué)活動中、從生活經(jīng)驗和社會經(jīng)驗等多種信息渠道獲得知識，側(cè)重知識的獲取，沒有實訓(xùn)要求。B：訓(xùn)練，指教、學(xué)活動中由教師引導(dǎo)開展的基礎(chǔ)測試或練習(xí)，匹配有課程討

5、論、課后研討等環(huán)節(jié)。C：實踐，指以學(xué)生為主導(dǎo)，通過實練而形成的對完成某種任務(wù)所必須的活動方式，匹配有課程的三級項目或其它實踐環(huán)節(jié)。D：探索，指學(xué)生獨立探尋問題、摸索、解答的活動，不設(shè)置專門的考核。（留空表示無該項要求） 四、課程內(nèi)容、學(xué)時分配及主要的教學(xué)方法總學(xué)時：64學(xué)時，其中理論60學(xué)時、實踐環(huán)節(jié)4學(xué)時， 總學(xué)分：4學(xué)分。章節(jié)序號章節(jié)名稱重點、難點內(nèi)容提要學(xué)時其他說明1激光的基本原理重點掌握光子簡并度、集居數(shù)反轉(zhuǎn)的概念；光和物質(zhì)的三個共振相互過程的名稱和特點；激光的特性；理解光相干性的描述方法、激光產(chǎn)生的基本思想。難點：光相干性的描述方法擴展介紹激光在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。4講授為主，同時輔以動

6、畫演示光和物質(zhì)三個共振相互作用，網(wǎng)上收集激光應(yīng)用的視頻激發(fā)學(xué)生興趣。并結(jié)合工程實例說明對激光特性的要求。1-0緒論1-1相干性的光子描述1-2光與物質(zhì)的三個共振相互作用過程1-3光的受激輻射放大1-4光的自激振蕩與激光的特性2開放式光腔與高斯光束重點掌握光腔的損耗的種類和描述；橫模、縱模的概念；對稱共焦腔與一般穩(wěn)定球面腔的等價關(guān)系及模式特點；高斯光束的基本性質(zhì)和參數(shù)概念；非穩(wěn)腔基模的幾何光學(xué)處理方法和幾何自再現(xiàn)波型。深刻理解：開放式光腔自再現(xiàn)模的形成與衍射積分理論；高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔的關(guān)系；高斯光束的q參數(shù)變換、聚焦和準(zhǔn)直。難點：穩(wěn)定腔模式的衍射積分理論分析法。擴展數(shù)值迭代法在激

7、光腔模式確定中的應(yīng)用，擴展光束質(zhì)量的評價和對實際應(yīng)用的影響。20講授為主，同時在某些小節(jié)可以采取學(xué)生自學(xué)后充當(dāng)小教師的方法，并與課堂討論、教師總結(jié)相結(jié)合。結(jié)合工程實例介紹穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔的分析和設(shè)計方法。2-1光腔分類、損耗及腔與模的關(guān)系2-2共軸球面腔的穩(wěn)定性條件2-3開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法2-4平行平面腔模的迭代解法2-5方形和圓形鏡對稱共焦腔的自再現(xiàn)模與行波場特征2-6一股穩(wěn)定球面腔與對稱共焦腔的等價關(guān)系及模式特征2-7高斯光束的基本性質(zhì)、特征參數(shù)及q參數(shù)的變換規(guī)律2-8高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直2-9高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔2-10光束衍射倍率因子2-11非穩(wěn)腔的幾何自再

8、現(xiàn)波型2-12非穩(wěn)腔的幾何放大率及自再現(xiàn)波型的能量損耗4電磁場和物質(zhì)的共振相互作用重點掌握譜線均勻加寬和非均勻加寬的物理含義、種類以及相應(yīng)的線型函數(shù)；單模情況下典型激光器的速率方程組。理解：均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)及增益飽和特點。難點：光學(xué)多普勒效應(yīng)及多普勒加寬；增益飽和的實質(zhì)、表現(xiàn)及數(shù)學(xué)處理；燒孔效應(yīng)的形成過程。11講授為主，課堂提問和討論為輔。4-1光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡介4-2譜線加寬和線型函數(shù)4-3典型激光器的速率方程4-4均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)5激光振蕩特性重點掌握激光器閾值、模式競爭、蘭姆凹陷的基本概念；理解：均勻加寬和非均勻加寬激光器的模式競爭

9、特點；影響均勻加寬和非均勻加寬單模激光器的輸出功率和能量的因素。了解：弛豫振蕩、頻率牽引的概念；單模激光器線寬極限產(chǎn)生的原因。6講授為主，結(jié)合工程實例說明激光器多模振蕩形成的原因。5-1激光器的振蕩閾值5-2激光器的振蕩模式5-3輸出功率與能量5-4弛豫振蕩5-5單模激光器線寬極限產(chǎn)生的原因5-6激光器的頻率牽引6激光放大特性重點掌握幾種特殊情況下脈沖激光放大器的輸出能量和增益特點；理解均勻激勵和縱向光激勵的連續(xù)激光放大器的增益特性；了解放大自發(fā)輻射的概念、用途以及對光放大器的危害。擴展：要求學(xué)生調(diào)研目前重要的激光放大器種類、工作原理、優(yōu)缺點及目前的發(fā)展和應(yīng)用情況。6講授為主，同時輔以學(xué)生課后

10、調(diào)研。6-1激光放大器的分類6-2均勻激勵和縱向光激勵連續(xù)激光放大器的增益特性6-3脈沖激光放大器的增益特性6-4放大的自發(fā)輻射和光放大器的噪聲7激光器特性的控制與改善掌握調(diào)Q、穩(wěn)頻、鎖模、選模的目的、基本概念、基本原理和典型的實現(xiàn)方法。擴展：要求學(xué)生調(diào)研新型的激光技術(shù)及其原理和發(fā)展應(yīng)用情況。13講授為主，結(jié)合工程實例介紹選模、穩(wěn)頻、調(diào)Q和鎖模的原理，再輔以學(xué)生課后調(diào)研。7-1模式選擇7-2頻率穩(wěn)定7-3Q調(diào)制7-4鎖模五、實踐環(huán)節(jié)的要求通過讓學(xué)生進行課后相關(guān)知識或激光前沿動向的調(diào)研、激光器生產(chǎn)和需求的市場調(diào)研、小論文撰寫、數(shù)值仿真實驗等實踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生消化、鞏固和加深對課堂所講授理論知識的理

11、解，促使學(xué)生自己動手動腦去主動探索和掌握激光產(chǎn)生和形成及激光技術(shù)的基本理論和基本分析方法，同時提高學(xué)生的實際操作技能和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和探索的優(yōu)良習(xí)慣，增強其學(xué)習(xí)的主動性和積極性，培養(yǎng)其工程意識和創(chuàng)新精神。項目序號項目名稱內(nèi) 容 提 要項目學(xué)時實踐形式項目類型每組人數(shù)項目性質(zhì)其他說明1諧振腔模式的Matlab實現(xiàn)利用Fox-Li數(shù)值迭代法或其它數(shù)值方法，利用Matlab編程確定一維或二維諧振腔的自在現(xiàn)模。要求提交數(shù)值仿真的題目和目的說明、程序代碼、模擬圖形及結(jié)果分析總結(jié)。2上機驗證11到3中必須完成1個由教師指定大方向后，學(xué)生自己操作完成2激光放大器輸出特性的Matlab數(shù)值仿真利

12、用Matlab編程數(shù)值模擬某種連續(xù)或脈沖放大器的輸出特性。要求提交數(shù)值仿真的題目和目的說明、程序代碼、模擬圖形及結(jié)果分析總結(jié)。2上機驗證13對某個激光器件和技術(shù)問題的Matlab計算模擬對激光器件和技術(shù)中某個問題利用Matlab編程進行計算模擬。要求提交計算模擬的題目和目的說明、程序代碼、模擬圖形及結(jié)果分析總結(jié)。2上機探索14激光器生產(chǎn)和需求的市場調(diào)研對國外或國內(nèi)對激光器的需求以及生產(chǎn)激光器的某個或某幾個公司或企業(yè)廠家進行網(wǎng)上或?qū)嵉兀ㄓ袟l件者）調(diào)研。要求提交詳細的調(diào)研報告。2調(diào)研調(diào)研報告14到7中必須完成1個5激光知識的前沿動向調(diào)研就激光理論與技術(shù)目前的某個前沿進行調(diào)研。要求提交一篇2000字

13、以上的小論文。有題目、中文摘要300字、正文、參考文獻。2調(diào)研小論文16新型激光器調(diào)研調(diào)研某種新型激光器，就其原理、優(yōu)勢及發(fā)展和應(yīng)用情況進行闡述。要求提交一篇2000字以上的小論文。有題目、中文摘要300字、正文、參考文獻。2調(diào)研小論文17新型激光放大器調(diào)研調(diào)研目前重要的新型激光放大器種類、工作原理、優(yōu)缺點及目前的發(fā)展和應(yīng)用情況。要求提交一篇2000字以上的小論文。有題目、中文摘要300字、正文、參考文獻。2調(diào)研小論文1六、學(xué)業(yè)考核1平時學(xué)業(yè)考核：考核范圍包括出勤情況和紀(jì)律表現(xiàn)、綜合訓(xùn)練情況（例如：小教師、討論、辯論、課堂提問等）、作業(yè)完成情況等方面，各項成績比例約為1：2：1。2實踐環(huán)節(jié)考核：考核范圍包括實踐報告或小論文撰寫的規(guī)范性、科學(xué)性、創(chuàng)新與提高等方面。各項成績比例約為1：2：2。3課程綜合考核：最終考核方式采用閉卷考試，內(nèi)