激光原理与技术课程教学大纲
2020-03-02 01:25:37 来源：范文大全收藏下载本文
《激光原理与技术》课程教学大纲
二、讲授大纲与各章的基本要求
第一章 辐射理论概要与激光产生的条件
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 了解光的波粒二象性，掌握光的偏振性、单色光的含义、平面光波的表示法、光强的定义和光子的含义。
2 掌握原子能级和简并度的含义，理解原子状态标记的方法，理解辐射跃迁选择定则，掌握玻尔兹曼分布定律，掌握辐射跃迁也非辐射跃迁的定义和特点。 3 理解黑体辐射的概念和规律，掌握光和物质相互作用时三种基本过程的特点、规律、发生几率，以及三者之间的关系。掌握自发辐射光功率和受激辐射光功率在普通光源和激光器中的大小关系。
4 掌握光谱线、线型、光谱线宽度的概念，掌握自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽的原因、展宽线型、增宽大小及其影响因素，理解均匀增宽和非均匀增宽的概念和含义，理解综合增宽的含义。
5 理解光在介质中受激放大的过程和规律，掌握介质中产生激光放大的条件，理解吸收系数和增益系数的概念，掌握光学谐振腔在激光器中的作用和激光阈值条件。
教学时数：10学时 教学内容：
第一节 光的波粒二象性
一、光波
二、光子
第二节 原子的能级和辐射跃迁
一、原子能级和简并度
二、原子状态的标记
三、玻尔兹曼分布
四、辐射跃迁和非辐射跃迁 第三节 光的受激辐射
一、黑体热辐射
二、光和物质的作用
三、自发辐射、受激辐射和受激吸收之间的关系
四、自发辐射光功率与受激辐射光功率
第四节 光谱线增宽
一、光谱线、线型和光谱线宽度
二、自然增宽
三、碰撞增宽
四、多普勒增宽
五、均匀增宽和非均匀增宽线型
六、综合增宽 第五节 激光形成的条件
一、介质中光的受激辐射放大
二、光学谐振腔和阈值条件
考核要求：
1、光的波粒二象性
1.1 光波偏振性（领会）
1.2 光速、频率和波长的关系（领会） 1.3 单色平面波（领会） 1.4 光强（识记） 1.5 光子（领会）
2、原子的能级和辐射跃迁
2.1 原子能级和简并度（领会）
2.2 原子状态的标记（领会）
2.3 辐射跃迁的选择定则（领会） 2.4 玻尔兹曼分布（领会、应用） 2.5 辐射跃迁和非辐射跃迁（领会、识记）
3、光的受激辐射
3.1 黑体热辐射（领会）
3.2 自发辐射、受激辐射、受激吸收（领会、识记、应用） 3.3 自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系（领会） 3.4 自发辐射光功率与受激辐射光功率（领会）
4、光谱线增宽
4.1 光谱线的线型函数、宽度（识记）
4.2 自然增宽的理论解释、增宽线型、影响增宽的因素（识记、应用） 4.3 碰撞增宽的理论解释、增宽线型、影响增宽的因素（识记、应用） 4.4 多普勒增宽的理论解释、增宽线型、影响增宽的因素（识记、应用） 4.5 均匀增宽和非均匀增宽的概念（领会） 4.6 综合增宽（领会）
5、激光形成的条件
5.1 光束在介质中的传播规律（领会）
5.2 产生受激光放大的条件、增益介质和增益系数（识记、应用） 5.3 光学谐振腔的作用、阈值条件（领会、识记）
第二章 激光器的工作原理
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 理解光学谐振腔满足稳定性条件的重要性，掌握稳定性的条件，理解共轴球面腔稳定图和分类，学会稳定图的应用。
2 理解三能级系统和四能级系统的激光工作方式，掌握速率方程组的建立、推导和粒子数密度反转分布的条件。掌握激光器在小信号工作时的粒子数密度反转分布情况和在均匀增宽型介质中的粒子数密度反转分布。理解粒子数密度反转分布的饱和效应。
3 掌握均匀增宽型介质中的增益系数和增益饱和。
4 掌握在非均匀增宽型介质中粒子数密度反转分布规律，掌握在非均匀增宽型介质中小信号时的增益系数和稳态情况下的增益饱和，掌握烧孔效应的原理。 5 了解激光器所存在的各种损耗和起因，掌握激光谐振腔内稳定光强的形成过程，掌握激光器的能稳定出光的阈值条件（包括增益阈值，抽运功率阈值等）。了解激光介质能级选取的注意事项。 教学时数：12学时
第一节 光学谐振腔结构与稳定性
一、共轴球面谐振腔的稳定性条件
二、共轴球面腔的稳定图及其分类
三、稳定图的应用
第二节 速率方程组与粒子数反转
一、三能级系统和四能级系统
二、速率方程组
三、稳态工作时的粒子数密度反转分布
四、小信号工作时的粒子数密度反转分布
五、均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布
六、均匀增宽型介质粒子数密度反转分布的饱和效应 第三节 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和
一、均匀增宽介质的增益系数
二、均匀增宽介质的增益饱和 第四节 非均匀增宽介质的增益饱和
一、介质在小信号时的粒子数密度反转分布值
二、非均匀增宽型介质在小信号时的增益系数
三、非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布
四、非均匀增宽型介质稳态情况下的增益饱和 第五节 激光器的损耗与阈值条件
一、激光器的损耗
二、激光谐振腔内形成稳定光强的过程
三、阈值条件
四、对介质能级选取的讨论
考核要求：
1、光学谐振腔结构与稳定性
1.1 共轴球面谐振腔的稳定性条件（应用） 1.2 共轴球面腔的稳定图及分类（识记） 1.3 稳定图的应用（应用）
2、速率方程组与粒子数反转
2.1 三能级系统和四能级系统（领会） 2.2 速率方程组的建立（领会）
2.3 稳态工作时的粒子数密度反转分布（识记） 2.4 饱和效应（领会、识记）
3、均匀增宽介质的增益系数和增益饱和
3.1 均匀增宽介质的增益系数和增益饱和（领会、识记）
4、非均匀增宽介质的增益饱和 4.1 粒子数密度反转分布（识记） 4.2 非均匀增宽介质的增益系数（识记） 4.3 稳态情况下的增益饱和（领会、识记）
5、激光器的损耗与阈值条件 5.1 激光器的损耗（识记）
5.2 稳定光强的形成过程（领会、识记） 5.3 阈值条件（领会、识记、应用） 5.4 对介质能级选取（领会）
第三章 激光器的输出特性
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 理解自再现模概念，掌握自再现模的特点。掌握自再现模积分方程解的物理意义，理解激光谐振腔的谐振条件，理解激光纵模的特点和含义，掌握纵模频率和频率间隔公式，会分析纵模可能存在的数量。
2 理解方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解，掌握镜面上自再现模场的特征（振幅分布、相位分布、衍射损耗等）了解共焦腔中的行波场和腔内外的光场分布。
3 掌握高斯光束的振幅和强度分布、相位分布、远场发散角以及高斯光束的高亮度。
4 理解稳定球面腔的等价共焦腔的含义，了解稳定球面腔的光束传播特性。 5 掌握均匀增宽型和非均匀增宽型介质激光器的输出功率以及影响因素。理解兰姆凹陷的形成原因。 6 掌握影响激光器线宽的因素。 教学时数：12学时 第一节 光学谐振腔的衍射理论
一、菲涅耳－基尔霍夫衍射公式
二、光学谐振腔的自再现模积分方程
三、激光谐振腔的谐振频率和激光纵模 第二节 对称共焦腔内外的光场分布
一、共焦腔镜面上的场分布
二、共焦腔中的行波场与腔内外的光场分布 第三节 高斯光束的传播特性
一、高斯光束的振幅和强度分布
二、高斯光束的相位分布
三、高斯光束的远场发散角
四、高斯光束的高亮度 第四节 稳定球面腔的光束传播特性
一、稳定球面腔的等价共焦腔
二、稳定球面腔的光束传播特性 第五节 激光器的输出功率
一、均匀增宽型介质激光器的输出功率
二、非均匀增宽型介质激光器的输出功率
考核要求：
1、光学谐振腔的衍射理论
1.1 菲涅耳－基尔霍夫衍射公式（领会） 1.2 自再现模（领会、识记） 1.3 激光纵模（领会、识记）
2、对称共焦腔内外的光场分布
2.1 镜面上自再现模场的特征（领会、识记） 2.2 行波场和腔内外光场分布（了解）
3、高斯光束的传播特性
3.1 高斯光束的强度分布（领会、识记、应用） 3.2 相位分布（领会）
3.3 远场发散角（领会、识记、应用） 3.4 高亮度（领会）
4、稳定球面腔的光束传播特性
4.1 稳定球面腔的等价共焦腔（领会） 4.2 稳定球面腔的光束传播特性（领会）
5、激光器的输出功率
5.1 均匀增宽型介质激光器的输出功率（领会）
5.2非均匀增宽型介质激光器的输出功率、兰姆凹陷（领会）
6、激光器的线宽极限（领会）
第四章 激光的基本技术
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 了解激光器选模的目的和意义，理解均匀增宽型谱线的纵模竞争，掌握单纵模选取的方法，掌握激光单横模的选取方法。
2 了解激光器频率稳定的衡量方法，掌握影响激光器频率稳定的因素，了解常见的几种稳频的方法。
3 了解高斯光束透过透镜时的变换规律，掌握高斯光束的聚焦、准直、扩束等技术的原理和方法。
4 理解激光调制的概念，了解电光强度调制和电光相位调制。 5 了解实现激光偏转的几种主要途径。
6 理解激光谐振腔的品质因素Q的含义，掌握调Q的原理，了解几种常见调Q的方法。
7 理解激光锁模技术的含义，掌握锁模的原理，了解锁模的2种常见途径。 教学时数：10学时 第一节 激光器输出的选模
一、激光单纵模的选取
二、激光单横模的选取 第二节 激光器的稳频
一、影响频率稳定的因素
二、稳频方法概述
三、兰姆凹陷法稳频
四、饱和吸收法稳频 第三节 激光束的变换
一、高斯光束通过薄透镜时的变换
二、高斯光束的聚焦
三、高斯光束的准直
四、激光的扩束 第四节 激光调制技术
一、激光调制的基本概念
二、电光强度调制
三、电光相位调制 第五节 激光偏转技术
一、机械偏转
二、电光偏转
三、声光偏转 第六节 激光调Q技术
一、激光谐振腔的品质因数Q
二、调Q原理
三、电光调Q
四、声光调Q
五、染料调Q 第七节 激光锁模技术
一、锁模原理
二、主动锁模
三、被动锁模
考核要求：
1、激光器输出的选模
1.1 均匀增宽型谱线的纵模竞争（领会） 1.2 非均匀增宽型谱线的多纵模振荡（领会） 1.3 单纵模的选取（领会、识记） 1.4 单横模的选取（领会、识记）
2、激光器的稳频
2.1 影响频率稳定的因素（识记） 2.2 稳频方法（了解）
3、激光束的变换
3.1 高斯光束通过透镜时的变换（领会、应用） 3.2 高斯光束的聚焦（领会、应用） 3.3 高斯光束的准直（领会、应用） 3.4 激光的扩束（领会、应用）
4、激光调制技术
4.1 调制的基本概念（领会）
4.2 电光强度调制和电光相位调制（了解）
5、激光偏转技术 5.1 机械偏转（了解） 5.2 电光偏转（了解） 5.3 声光偏转（了解）
6、激光调Q技术
6.1 品质因数Q的概念（领会） 6.2 调Q原理（领会、识记）
6.3 电光调Q、声光调Q、染料调Q（领会）
7、激光锁模技术 7.1 锁模原理（领会）
7.2 主动锁模和被动锁模（了解）
第五章 典型激光器介绍
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 了解固体激光器的基本结构，掌握红宝石激光器、YAG:Nd激光器的特点和机理，了解固体激光器的泵浦系统和输出特性，了解半导体激光器泵浦的固体激光器、可调谐固体激光器和高功率激光器的优缺点及原理。
2 了解氦氖激光器的结构和工作机理，了解二氧化碳激光器的结构、激发机理和输出特性，了解氩离子激光器的结构、激发机理和工作特性。 3 了解染料激光器的特点、激发机理、调谐原理和泵浦系统。
4 了解半导体激光器中的能带情况和产生受激辐射的条件，掌握PN结的双简并能带结构和粒子数反转条件，掌握半导体激光器的工作原理及阈值条件，了解同质结和异质结半导体激光器的特性。
5 了解准分子激光器、自由电子激光器和化学激光器的特点、基本原理和输出特性。
教学时数：4学时 第一节 固体激光器
一、固体激光器的基本结构与工作物质
二、固体激光器的泵浦系统
三、固体激光器的输出特性
四、新型固体激光器 第二节 气体激光器
一、氦氖激光器
二、二氧化碳激光器
三、氩离子激光器 第三节 染料激光器
一、染料激光器的激发机理
二、染料激光器的泵浦
三、染料激光器的调谐 第四节 半导体激光器
一、半导体的能带和产生受激辐射的条件
二、PN结和粒子数反转
三、半导体激光器的工作原理和阈值条件
四、同质结和异质结半导体激光器 第五节 其他激光器
一、准分子激光器
二、自由电子激光器
三、化学激光器
考核要求：
1、固体激光器
1.1 固体激光器的基本结构和工作物质（了解） 1.2 红宝石激光器、Nd:YAG激光器（了解、识记） 1.3 泵浦系统、输出特性（了解）
2、气体激光器
2.1 氦氖激光器结构和原理（了解、识记） 2.2 二氧化碳激光器结构和原理（了解） 2.3 氩离子激光器结构和原理(了解)
3、染料激光器（了解）
4、半导体激光器
4.1 半导体能带（了解） 4.2 PN结与粒子数反转（领会） 4.3 工作原理和阈值（了解）
5、其他激光器（了解）
第六章 激光在精密测量中的应用
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 了解激光干涉测长的基本原理、系统组成，了解激光外差干涉测长技术。 2 了解激光衍射测量原理、方法及应用。
3 了解激光测距的特点、基本原理，了解激光相位测距原理。
4 了解激光准直仪的原理和结构，了解激光多自由度测量系统结构和原理。 5 了解激光多普勒测速的原理和应用。 6 了解激光测量角度和角加速度的原理。 7 了解激光环境计量的原理和应用。 教学时数：1学时
第一节 激光干涉测长 第二节 激光衍射测量 第三节 激光测距
第四节 激光准直及多自由度测量 第五节 激光多普勒测速
第六节 环形激光测量角度和角加速度
考核要求：
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
第七章 激光加工技术
教学要点：
通过本章的教学使学生： 1 了解激光热加工的原理。
2 了解激光淬火技术的原理与应用，了解激光表面熔凝技术和熔覆技术。 3 了解激光打孔和激光切割的原理与特点。
4 了解激光焊接的特点，了解激光热导焊和深熔焊的原理。
5 了解激光快速成型技术的原理、优点及应用，了解激光清洗技术和激光弯曲技术。
教学时数：1学时
第一节 激光热加工原理 第二节 激光表面改性技术 第三节 激光去除材料技术 第四节 激光焊接 第五节 激光快速成型技术 第六节 其他激光加工技术
考核要求：
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
第八章 激光在医学中的应用
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 了解生物体的光学特性，了解激光对生物体的作用和激光在生物体应用的优点。 2 了解激光临床治疗的种类与现状，了解激光在皮肤科及整形外科领域中的应用，了解激光在眼科、泌尿外科、耳鼻喉科中的应用。
3 了解利用激光的生物体光谱测量及诊断，了解激光断层摄影、激光显微镜基本原理。
4 了解医用激光设备（光源、光纤）。
5 了解医用激光新技术和光动力学治疗的前景。 教学时数：1学时
第一节 激光与生物体的相互作用 第二节 激光在临床治疗中的应用 第三节 激光在生物体检测及诊断中的应用 第四节 医用激光设备 第五节 激光应用于医学的未来
考核要求：
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
第九章 激光在信息技术中的应用
教学要点：
通过本章的教学使学生：
1 了解光纤通信系统中的激光器需满足的要求，了解光纤激光器的基本原理、特点、分类和应用，了解光放大器的原理、种类等。
2 了解激光全息术的基本原理和分类，了解激光全息三维显示的优点、应用及展望。
3 了解激光存储的基本原理、分类及特点，了解激光体全息光存储的特点、原理及应用，了解激光存储的最新进展。 4 了解激光在扫描器和打印机中的应用 教学时数：1学时
第一节 光纤通信系统中的激光器和光放大器 第二节 激光全息三维显示 第三节 激光存储技术 第四节 激光扫描和激光打印机
考核要求：
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
第十章 激光在科学技术前沿问题中的应用
教学要点：
通过本章的教学使学生： 1 了解激光在受控核聚变中的应用。 2 了解激光冷却技术。
3 了解激光操纵微粒的方法和原理。 4 了解激光诱导化学反应的原理。 5 了解激光在光谱技术中的应用。 教学时数：1学时 第一节 激光核聚变 第二节 激光冷却 第三节 激光操纵微粒 第四节 激光诱导化学过程 第五节 激光光谱学
考核要求：
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
三、推荐教材和参考书目
1、《激光原理及应用》，陈家璧主编，电子工业出版社，2004
2、《激光原理》，周炳琨、高以智等编，第五版，国防工业出版社，2004
3、《固体激光工程》，（美）W.克希耐尔著，孙文等译，科学出版社，2003
4、《激光技术》，蓝信钜，科学出版社，2000
5、《激光工程》，（日）中井贞雄著，熊缨译，科学出版社，2002
6、《激光物理》，钱梅珍等著，第二版，电子工业出版社，2001
7、《Laser Physics》，M.Sargent III， M.O.Scully, W.E.Lamb, Addison - Wesley, NY, 1987
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