《激光技術(shù)課程設(shè)計(jì)》課程教學(xué)大綱（本科）

1、激光技術(shù)課程設(shè)計(jì)Curriculum design of Laser Technology課程編號(hào)：（03460047）學(xué)分：2學(xué)時(shí)：2周先修課程：光學(xué)普通物理原子物理激光原理與技術(shù)適用專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程教材：自編講義一、課程性質(zhì)與課程目標(biāo)（一）課程性質(zhì)激光技術(shù)課程設(shè)計(jì)是光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生在激光原理與技術(shù)課程學(xué)習(xí)、專業(yè)生 產(chǎn)實(shí)習(xí)之后的一個(gè)重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)基本理論和實(shí) 踐知識(shí)設(shè)計(jì)典型激光器系統(tǒng)的能力，使學(xué)生掌握激光器各種特性測(cè)試的設(shè)計(jì)方法，掌握激光器的工 作基本原理及其特性的理論分析方法，為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事激光技術(shù)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。因此，

2、可以說(shuō)激光原理的必修課程設(shè)計(jì)，是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一。（二）課程目標(biāo)課程目標(biāo)1:能夠?qū)Φ湫图す馄鹘Y(jié)構(gòu)的深入研究，掌握典型激光器各種特性測(cè)試的設(shè)計(jì)方法，提 出合理的激光器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行初步的方案可行性分析與論證。課程目標(biāo)2：能夠運(yùn)用計(jì)算方法和工具（Matlab軟件）解決模擬出激光器的特性（不同諧振腔 自再現(xiàn)模的形成過(guò)程、激光光束等），進(jìn)而對(duì)激光器的實(shí)驗(yàn)工作理論指導(dǎo)。課程目標(biāo)3：能夠從激光器的設(shè)計(jì)、激光器的結(jié)構(gòu)、以及激光器的仿真結(jié)果等不同角度進(jìn)行分 析與協(xié)作，使學(xué)生具備團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)及在團(tuán)隊(duì)合作中發(fā)揮作用的能力，為以后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事激光 技術(shù)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)。課程目標(biāo)4：能

3、夠以激光器的設(shè)計(jì)、激光器的結(jié)構(gòu)、以及激光器的仿真結(jié)果等形式，對(duì)激光器 的各種特征參數(shù)或激光器的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有效的口頭陳述發(fā)言和溝通。（三）課程目標(biāo)與專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系本課程支撐專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃中畢業(yè)要求3、畢業(yè)要求4和畢業(yè)要求5：.畢業(yè)要求3-2：能夠設(shè)計(jì)滿足特定需求的光電信息系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并能夠 體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的30%；.畢業(yè)要求4-1：能夠?qū)怆娦畔⒖茖W(xué)與工程相關(guān)的各類物理現(xiàn)象、光電特性進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證。占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度的35%；.畢業(yè)要求5-2：能夠初步運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)工具對(duì)光電信息科學(xué)與工程問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)與模擬, 并了解其局限性。占該指標(biāo)點(diǎn)達(dá)成度

4、的35%；目標(biāo) 畢業(yè)要求指焉曉課程目標(biāo)1課程目標(biāo)2課程目標(biāo)3課程目標(biāo)4畢業(yè)要求3-2V畢業(yè)要求4-1VV畢業(yè)要求5-2V二、設(shè)計(jì)課程內(nèi)容與教學(xué)要求教學(xué)要求：學(xué)生在掌握激光器的工作基本原理及其特性的理論分析方法的基礎(chǔ)之上，能夠提出合理的激光 器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用計(jì)算方法和工具（Matlab軟件、LabView軟件）解決模擬出激光器的特 性（不同諧振腔自再現(xiàn)模的形成過(guò)程，激光光束等），進(jìn)而對(duì)激光器的實(shí)驗(yàn)工作理論指導(dǎo)，同時(shí)，為 以后畢業(yè)設(shè)計(jì)和從事激光技術(shù)實(shí)際工作打下基礎(chǔ)設(shè)計(jì)課程內(nèi)容：第01部分 諧振腔自再現(xiàn)模迭代解法內(nèi)容：激光器諧振腔內(nèi)的模式計(jì)算是提高激光器輸出光束質(zhì)量和應(yīng)用自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)校正腔

5、內(nèi) 像差的前提和基礎(chǔ)。在理論分析的基礎(chǔ)上，著重采用數(shù)值迭代解法（Fox-Li方法即?？怂购蛥柖σ?迭代法）計(jì)算平行平面腔（F-P腔）在初始光場(chǎng)，三階梯分布條件下自再現(xiàn)模的光場(chǎng)振幅的分布。 用數(shù)學(xué)軟件建模編寫計(jì)算程序，找到光腔的一個(gè)自再現(xiàn)模式或橫模分布。第02部分 激光的諧振腔的數(shù)值模擬內(nèi)容：諧振腔是激光器的主要構(gòu)造之一，使激光通過(guò)增益物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)光的自激振蕩。在激光器 出光的過(guò)程中，諧振腔內(nèi)存在許多擾動(dòng)因素，如腔鏡失調(diào)、增益介質(zhì)不均勻、熱效應(yīng)、腔鏡變形等, 這些腔內(nèi)擾動(dòng)因素都會(huì)引起不同程度的腔內(nèi)像差,帶來(lái)光束質(zhì)量的下降和光束能量的降低。在掌握激 光器中被動(dòng)光學(xué)諧振腔的物理概念的基礎(chǔ)上，同時(shí)，掌握

6、各種具體諧振腔的基本原理，利用計(jì)算機(jī) 軟件模擬光學(xué)諧振腔的穩(wěn)定性條件。第03部分 高斯光束、高斯光束傳輸變換內(nèi)容：理解激光激光光束的傳輸，包括激光光束在空間的傳播、振幅的傳播和頻率的傳播以及 掌握傳播中的光放大、一次諧波和參數(shù)振蕩同時(shí)，利用高斯光束的復(fù)參數(shù)表示法和ABCD定律簡(jiǎn)單 地模擬，基模高斯光束在自由空間和通過(guò)近軸光學(xué)元件的傳輸變換。第04部分 泵浦電路仿真研究?jī)?nèi)容：要使泵浦激光器輸出光具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，首先要有功率自動(dòng)控制電路和良好的電流驅(qū) 動(dòng)電路。APC控制原理：將驅(qū)動(dòng)電流經(jīng)過(guò)電阻形成電壓，將電壓信號(hào)連接到驅(qū)動(dòng)源的反向端形成反饋對(duì)輸出光功率進(jìn)行很好地控制。另一方面，由于溫度、濕度及器

7、件內(nèi)部老化造成的驅(qū)動(dòng)波動(dòng)，也 可以通過(guò)APC電路改變反饋電壓，從而穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)激光器的電流，最終穩(wěn)定光源功率輸出。希望利用 計(jì)算機(jī)軟件模擬激光器的泵浦電路。第05部分 調(diào)Q激光器激光脈沖時(shí)間特性內(nèi)容：激光器調(diào)Q技術(shù)是為壓縮激光器輸出脈沖寬度和提高脈沖峰值功率而采取的一種特殊技 術(shù)；這種技術(shù)的基礎(chǔ)是一種特殊的關(guān)鍵元件快速腔內(nèi)光開關(guān)，一般稱為激光調(diào)Q開關(guān)，或簡(jiǎn)稱為 Q開關(guān)。共振腔的Q值大小，是由腔內(nèi)損耗和反射鏡光學(xué)反饋能力兩個(gè)因素所決定的；Q值愈高，所 需要的泵浦閾值就越低，亦即激光愈容易起振。在一般的脈沖固體激光器的情況下，若不采用特殊 的技術(shù)措施，脈沖激光在腔內(nèi)的振蕩持續(xù)時(shí)間，與光泵脈沖時(shí)間（毫秒

8、量級(jí)左右）大致相同，因此 輸出激光的脈沖功率水平亦總是有限的。希望利用計(jì)算機(jī)軟件模擬調(diào)Q激光器脈沖時(shí)間特性。第06部分 三能級(jí)以及四能級(jí)的速率方程數(shù)值解法內(nèi)容：三能級(jí)激光器中，獲得中間能態(tài)和基態(tài)間粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的效率不是很高。因?yàn)樵陂_始抽運(yùn) 時(shí)中間能態(tài)（即亞穩(wěn)態(tài)）實(shí)際是空的，最低限度要將基態(tài)粒子數(shù)的半數(shù)抽運(yùn)到中間態(tài)才可實(shí)現(xiàn)粒子 數(shù)反轉(zhuǎn)。此外，供給抽運(yùn)的閃光伍燈對(duì)電能只有一小部分成為抽運(yùn)光子。所以要用強(qiáng)抽運(yùn)光，通常 采用脈沖工作。同時(shí)，了解四能級(jí)的速率方程和模擬該方程。第07部分 脈沖激光放大器的輸出能量及增益的數(shù)值求解內(nèi)容：激光放大器是指利用光的受激輻射進(jìn)行光的能量（功率）放大的器件。通過(guò)采用激光

9、放大 器，可以在獲得高的激光能量或功率時(shí)而又保持激光的質(zhì)量（包括脈寬、線寬、偏振特性等）。常用 于可控核聚變、核爆模擬、超遠(yuǎn)激光測(cè)距等重大技術(shù)中的高功率激光系統(tǒng)。因此，我需要利用計(jì)算 軟件模擬脈沖激光放大器的輸出能量及增益。第08部分 激光光束計(jì)算機(jī)模擬內(nèi)容：激光光束質(zhì)量是激光器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，是從質(zhì)的方面來(lái)評(píng)價(jià)激光的特性激光光束 的光束質(zhì)量評(píng)價(jià)參數(shù)包括遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角、聚焦光斑尺寸、衍射極限倍數(shù)、M2因子等，因此，希望利用 數(shù)學(xué)軟件模擬激光光束。注：1.設(shè)計(jì)內(nèi)容可根據(jù)教學(xué)實(shí)際情況新增或減少；.設(shè)計(jì)內(nèi)容的每一部分選題之下可以分出若干個(gè)子課題，子課題可作為課程設(shè)計(jì)內(nèi)容；.學(xué)生自己也可以自擬設(shè)計(jì)題目

10、，自擬題目必須與課程負(fù)責(zé)人商量決定。三、學(xué)時(shí)分配及教學(xué)方法學(xué)時(shí)分配和設(shè)計(jì)安排課程設(shè)計(jì)計(jì) 劃教學(xué)形式及時(shí)間分配（天數(shù)）主要教學(xué)方法支撐的課程目標(biāo)課堂 教學(xué)課程 實(shí)踐小 計(jì)設(shè)計(jì)準(zhǔn)備11講授、討論目標(biāo)3設(shè)計(jì)實(shí)施1111討論、指導(dǎo)目標(biāo)1、目標(biāo)2難點(diǎn)答疑11討論、指導(dǎo)目標(biāo)1、目標(biāo)2總結(jié)答辯11討論、指導(dǎo)目標(biāo)4合計(jì)21214注：1.設(shè)計(jì)準(zhǔn)備1天：為每名學(xué)生下達(dá)具體設(shè)計(jì)任務(wù)書，教師講解部分題目和設(shè)計(jì)要求；.設(shè)計(jì)實(shí)施11天（包括一次集中難點(diǎn)解答0.5 - 1天）：理論計(jì)算可用計(jì)算機(jī)輔助完成，設(shè)計(jì)方案所提出的要求在實(shí)驗(yàn)室條件允許時(shí)可以進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證;.總結(jié)答辯1天：學(xué)生完成設(shè)計(jì)合格后進(jìn)行答辯。四 考核方式（一）課

11、程設(shè)計(jì)考核方法及成績(jī)?cè)u(píng)定1.出勤、學(xué)習(xí)表現(xiàn)占20%；2,設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)水平 占30%；3.課程設(shè)計(jì)論文內(nèi)容、結(jié)果及規(guī)范程度 占30%；4,答辯占20%。總成績(jī)按優(yōu)、良、中、及格不及格五級(jí)分制給出。（二）非技術(shù)性指標(biāo)評(píng)分表評(píng)價(jià)指標(biāo)考核形式評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)100-90 分90-80 分80-70 分70-60 分60分以下充分理解任理解任務(wù)分理解任務(wù)分基本理解任基本理解任務(wù)分工、有詳工、有較詳細(xì)工、有工作務(wù)工、有初步務(wù)工、無(wú)工細(xì)工作計(jì)劃、的工作計(jì)劃、計(jì)劃、在團(tuán)工作計(jì)劃、在作計(jì)劃、在課程目標(biāo)3：平時(shí)成績(jī)能獨(dú)立按計(jì)能獨(dú)立按計(jì)隊(duì)成員幫助團(tuán)隊(duì)成員幫團(tuán)隊(duì)成員幫團(tuán)隊(duì)合作劃完成設(shè)計(jì)劃完成設(shè)計(jì)下，能按計(jì)助下，基本能助下，

12、尚無(wú)任務(wù)、對(duì)團(tuán)隊(duì)任務(wù)、對(duì)團(tuán)隊(duì)劃完成團(tuán)隊(duì)完成團(tuán)隊(duì)分法完成團(tuán)隊(duì)任務(wù)完成有任務(wù)完成有分配的設(shè)計(jì)配的設(shè)計(jì)任分配的設(shè)計(jì)重要貢獻(xiàn)較大貢獻(xiàn)任務(wù)務(wù)任務(wù)課程目標(biāo)4： 溝通表達(dá)答辯成績(jī)能正確、充分 地表達(dá)設(shè)計(jì) 思想、回答問(wèn) 題正確能正確表達(dá) 設(shè)計(jì)思想、回 答問(wèn)題正確能較正確地 表達(dá)設(shè)計(jì)思 想、回答問(wèn) 題基本正確能表達(dá)設(shè)計(jì) 思想、經(jīng)啟發(fā) 后回答問(wèn)題 基本正確不能表達(dá)設(shè) 計(jì)思想、經(jīng) 啟發(fā)后尚無(wú) 法正確回答 問(wèn)題五、課程目標(biāo)達(dá)成度評(píng)價(jià)1.出勤、學(xué)習(xí)表現(xiàn)占20%；2,設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)水平 占30%；3.課程設(shè)計(jì)論文內(nèi)容、結(jié)果及規(guī)范程度 占30%；4,答辯占20%?？偝煽?jī)按優(yōu)、良、中、及格不及格五級(jí)分制給出。課程目標(biāo)達(dá)成度計(jì)

13、算表如下:課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)考核形式實(shí)際評(píng)測(cè)結(jié)果（學(xué)生達(dá)到的平均水平）對(duì)應(yīng)總分達(dá)成度課程目標(biāo)1設(shè)計(jì)成績(jī)方案設(shè)計(jì)和論證均分義10%X60%10 x60%=6達(dá)成度=實(shí)際 測(cè)評(píng)結(jié)果/對(duì) 應(yīng)總分課程目標(biāo)2設(shè)計(jì)成績(jī)激光器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成績(jī)平均分 X 40% X 60%+激光器仿真結(jié) 果成績(jī)平均分X 40% X 60%+ 課程設(shè)計(jì)報(bào)告成績(jī)平均分X 10%X60%90 x60%=54達(dá)成度=實(shí)際 測(cè)評(píng)結(jié)果/對(duì) 應(yīng)總分課程目標(biāo)3平時(shí)成績(jī)（考勤成績(jī)平均分+團(tuán)隊(duì)合作 表現(xiàn)平均分）x30%30達(dá)成度二實(shí)際 測(cè)評(píng)結(jié)果/對(duì) 應(yīng)總分課程目標(biāo)4答辯成績(jī)答辯成績(jī)平均分xl 0%10達(dá)成度=實(shí)際 測(cè)評(píng)結(jié)果/對(duì) 應(yīng)總分七、參考書目及學(xué)習(xí)資料1激光原理，周炳琨編著，國(guó)防工業(yè)出版社，2009年激光實(shí)驗(yàn)，黃植文主編，北京大學(xué)出版社，1996年3激光光學(xué)，呂百達(dá)編著，高等教育出版社，2003年 激光物理基礎(chǔ)，王雨三等編著，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005年5激光原理與技術(shù)，楊克成，華中科技大學(xué)出版社，2000.6MATLAB基礎(chǔ)教程，薛山編著，清華大學(xué)出版社，2011八、大綱說(shuō)明（內(nèi)容可包括實(shí)驗(yàn)