《激光原理》課程教學(xué)大綱

《激光原理》教學(xué)大綱課程名稱：激光原理英文名稱：Theprincipleoflaser課程編號(hào)：F098091812學(xué)分：3總學(xué)時(shí)/課內(nèi)實(shí)踐學(xué)時(shí)：48/0課程性質(zhì)：選修課程開課單位：數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用物理系適應(yīng)對(duì)象：應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程簡介《激光原理》課程是為應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的專業(yè)限選課，在教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中列為專業(yè)方向與拓展課，48學(xué)時(shí)，3學(xué)分，考核方式為考查。本課程在《光學(xué)》、《電磁學(xué)》、《原子物理》、《量子力學(xué)》等課程以后開設(shè)，它又是《光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)2》、《光電檢測(cè)技術(shù)》等專業(yè)課程的先修課。本課程旨在使學(xué)生了解激光的應(yīng)用；掌握激光產(chǎn)生的機(jī)理、條件及性質(zhì)；光學(xué)諧振腔及高斯光束的基本性質(zhì)；激光選模技術(shù)、激光頻率穩(wěn)定技術(shù)、激光巨脈沖技術(shù)如調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)等基本理論。通過課堂教學(xué)和課外作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力。為學(xué)生將來從事激光技術(shù)及應(yīng)用的科研、教學(xué)和生產(chǎn)等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在授課過程中，通過融入我國當(dāng)前先進(jìn)電信技術(shù)（5G）的發(fā)展，增強(qiáng)學(xué)生的民族意識(shí)、愛國情懷。ThecourseofLaserPrincipleisaprofessionallimitedoptionalcourseforstudentsmajoringinappliedphysics.Itislistedastheprofessionaldirectionandexpansioncourseintheteachingandtrainingplan,with48classhoursand3credits.Theassessmentmethodisexamination.ThiscourseisofferedafterOptics,Electromagnetics,AtomicPhysics,QuantumMechanicsandothercourses.ItisalsoaprerequisitecourseforspecializedcoursessuchasOptoelectronicTechnologyExperiment2andOptoelectronicDetectionTechnology.Thiscourseaimstomakestudentsunderstandtheapplicationoflaser;Masterthemechanism,conditionsandpropertiesoflasergeneration;BasicpropertiesofopticalresonatorsandGaussianbeams;Thebasictheoryoflasermodeselectiontechnology,frequencystabilizationtechnology,giantpulsetechnology,suchasQ-switchingtechnologyandmode-lockingtechnology.Cultivatestudents'abilitytoanalyzeandsolvepracticalproblemsthroughclassroomteachingandhomework.Itwilllayasolidfoundationforstudentstoengageinscientificresearch,teachingandproductionoflasertechnologyandapplicationsinthefuture.Inthecourseofteaching,students'nationalawarenessandpatriotismwillbeenhancedbyintegratingthedevelopmentofChina'scurrentadvancedtelecommunicationstechnology(5G).課程目標(biāo)1．強(qiáng)化科學(xué)倫理教育，提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國情懷。2．掌握激光產(chǎn)生原理和特性，熟悉激光譜線加寬機(jī)理，產(chǎn)生條件和頻率牽引及線寬極限。3．掌握方形鏡對(duì)稱共焦腔、圓形鏡對(duì)稱共焦腔及一般穩(wěn)定球面腔等模式特點(diǎn)和關(guān)系。4．掌握典型激光器速率方程，熟悉模式選擇、頻率穩(wěn)定、調(diào)Q及鎖模技術(shù)的基本原理。1.Strengthenscientificethicseducation,improvestudents'abilitytoanalyzeandsolveproblems,andstimulatestudents'feelingsofservingthecountrythroughscienceandtechnology.2.Mastertheprincipleandcharacteristicsoflasergeneration,befamiliarwiththemechanismoflaserspectrallinebroadening,generationconditions,frequencytractionandlinewidthlimit.3.Masterthemodecharacteristicsandrelationsofsquaremirrorsymmetricconfocalcavity,circularmirrorsymmetricconfocalcavityandgeneralstablesphericalcavity.4.Mastertherateequationsoftypicallasers,andbefamiliarwiththebasicprinciplesofmodeselection,frequencystability,Q-switchingandmode-lockingtechnology.三、課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系本課程的課程目標(biāo)對(duì)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)的支撐情況如表1所示：表1課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系畢業(yè)要求指標(biāo)點(diǎn)課程目標(biāo)畢業(yè)要求1：具備一定的無損檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電傳感等領(lǐng)域的專門知識(shí)。1.2掌握無損檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電傳感的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，熟悉相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用前景，掌握分析方法/應(yīng)用技術(shù)；1~4課程教學(xué)安排課程共有24項(xiàng)教學(xué)內(nèi)容，具體安排如下。表2：課程教學(xué)安排表序號(hào)教學(xué)內(nèi)容思政元素課堂教學(xué)學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)/實(shí)踐教學(xué)學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)小計(jì)1緒言職業(yè)教育和愛國教育222Chp1激光的基本原理§1-1相干性的光子描述科學(xué)精神培養(yǎng)223§1-2光的受激輻射基本概念§1-3光的受激輻射放大224§1-4光的自激振蕩§1-5激光的特性225Chp2開放式光腔與高斯光束§2-1光腔理論的一般問題§2-2共軸球面腔的穩(wěn)定條件科學(xué)精神培養(yǎng)226§2-3開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法§2-4平行平面腔的迭代解法解決問題能力培養(yǎng)227§2-5方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模228§2-6方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)§2-7圓形鏡共焦腔科學(xué)精神培養(yǎng)229§2-8一般穩(wěn)定球面腔的模式特征解決問題能力培養(yǎng)2210§2-9高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)2211§2-10高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律2212§2-11高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直2213§2-12高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔§2-13光束衍射倍率因子科學(xué)精神培養(yǎng)2214Chp3電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用§3-1光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡介§3-2譜線加寬和線型函數(shù)2215§3-3典型激光器速率方程科學(xué)精神培養(yǎng)2216§3-4均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)2217Chp4激光振蕩特性§4-1激光器的振蕩閾值§4-2振蕩模式解決問題能力培養(yǎng)2218§4-3輸出功率與能量§4-4弛豫振蕩科學(xué)精神培養(yǎng)2219§4-5單模激光的線寬極限§4-6激光器的頻率牽引學(xué)習(xí)態(tài)度培養(yǎng)2220Chp5激光放大特性§5-1激光放大器的分類§5-2均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性2221Chp6激光器特性的控制與改善§6-1調(diào)制器與隔離器§6-2模式選擇科學(xué)精神培養(yǎng)2222§6-3頻率穩(wěn)定2223§6-4Q調(diào)制2224§6-5鎖模§6-6激光的非線性頻率變換解決問題能力培養(yǎng)22合計(jì)4848教學(xué)安排1.緒論教學(xué)要求：了解激光發(fā)展歷史、理論體系、特點(diǎn)及激光在社會(huì)生產(chǎn)、生活、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。重點(diǎn)難點(diǎn)：激光的特點(diǎn)，激光的應(yīng)用。思政元素：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)生愛國情懷和科技強(qiáng)國的使命擔(dān)當(dāng)。教學(xué)內(nèi)容：激光的發(fā)展與現(xiàn)狀；激光的理論體系；激光的特點(diǎn)；激光的應(yīng)用.2.激光的基本原理教學(xué)要求：掌握光子的相干性描述；理解光波模式、光子態(tài)、相格與相干體積之間的關(guān)系；理解受激輻射光放大的概念及光放大條件的推導(dǎo)過程；理解自激振蕩過程。重點(diǎn)難點(diǎn)：光的相干性；光的受激輻射放大；光的自激振蕩。思政元素：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度以及分析問題和解決問題的能力。教學(xué)內(nèi)容：相干性的光子描述；光的受激輻射基本概念；光的受激輻射放大；光的自激振蕩；激光的特性；3.開放式光腔與高斯光束教學(xué)要求：掌握共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法，方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模，方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)。理解一般穩(wěn)定球面腔的模式特征，高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)。了解高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律。重點(diǎn)難點(diǎn)：共軸球面腔的穩(wěn)定性條件；開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法；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；一般穩(wěn)定球面腔的模式特征；高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)；高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律。思政元素：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，創(chuàng)新精神，分析問題和解決問題的能力。教學(xué)內(nèi)容：光腔理論的一般問題；共軸球面腔的穩(wěn)定性條件；開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法；平行平面腔模的迭代解法；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；一般穩(wěn)定球面腔的模式特征；高斯光束的基本性質(zhì)及q參數(shù)；高斯光束的聚焦與準(zhǔn)直；高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔；光束衍射倍率因子。4.電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用教學(xué)要求：掌握光學(xué)多普勒效應(yīng)；線型函數(shù)；典型激光器能級(jí)示意圖及對(duì)應(yīng)速率方程組；譜線加寬物理機(jī)制。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；小信號(hào)增益系數(shù)；大信號(hào)增益系數(shù)。重點(diǎn)難點(diǎn)：譜線加寬和線型函數(shù)；典型激光器速率方程；均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)思政元素：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神，激發(fā)學(xué)生愛國情懷，激發(fā)學(xué)生科技強(qiáng)國的使命擔(dān)當(dāng)。教學(xué)內(nèi)容：光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論；譜線加寬和線型函數(shù)；典型激光器速率方程；均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；非均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；綜合加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；非均勻加寬機(jī)理；光學(xué)多普勒效應(yīng)。5.激光振蕩特性教學(xué)要求：掌握激光形成的閾值條件，起振模式數(shù)，模式競(jìng)爭，弛豫振蕩。理解激光器的線寬極限，頻率牽引現(xiàn)象。重點(diǎn)難點(diǎn)：激光形成的閾值條件；起振模式數(shù)；模式競(jìng)爭；弛豫振蕩。思政元素：，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，以及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。教學(xué)內(nèi)容：激光的振蕩閾值；激光器的振蕩模式；輸出功率與能量；弛豫振蕩；單模激光器的線寬極限；激光器的頻率牽引。6.激光放大特性教學(xué)要求：掌握均勻激勵(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，脈沖激光放大器的增益特性，了解光放大器的噪聲。重點(diǎn)難點(diǎn)：比均勻激勵(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；脈沖激光放大器的增益特性。思政元素：培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度和創(chuàng)新精神。教學(xué)內(nèi)容：激光放大器的分類；均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性；7.激光特性的控制教學(xué)要求：掌握模式選擇的基本原理，頻率穩(wěn)定基本原理，頻率穩(wěn)定方法，Q調(diào)的基本原理。了解鎖?；驹砑胺椒?。重點(diǎn)難點(diǎn)：模式選擇的基本原理；頻率穩(wěn)定基本原理；頻率穩(wěn)定方法；Q調(diào)的基本原理；鎖模基本原理；鎖模激光器簡介思政元素：培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，激發(fā)學(xué)生科技強(qiáng)國的使命擔(dān)當(dāng)。教學(xué)內(nèi)容：模式選擇的基本原理；模式選擇方法；頻率穩(wěn)定基本原理；頻率穩(wěn)定方法；Q調(diào)的基本原理；Q調(diào)制的基本方法；注入鎖定基本原理與方法；鎖?；驹?；鎖模激光器簡介。課內(nèi)實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容及要求無課程考核與評(píng)價(jià)本課程為考查課，考核方式包括出勤和平時(shí)作業(yè)，分別占50%和50%。表4：成績?cè)u(píng)定方式表考核環(huán)節(jié)分值考核/評(píng)價(jià)細(xì)則過程考核100百分制，得分按50%計(jì)入總成績。其中基礎(chǔ)分40分，作業(yè)60分，附加作業(yè)20分；曠課-2分/次，請(qǐng)假或遲到或早退-1分/次，睡覺-10分/次，玩手機(jī)-10分/次，課題提問回答全錯(cuò)、部分錯(cuò)1次分別-1分、-2分/次，課堂積極互動(dòng)主