激光原理与技术CDIO教学大纲

1、激光原理与技术课程教学大纲一、课程代码与名称课程代码：计划上未给出中文名称：激光原理与技术英文名称：Laser Principles and Technology二、课程概述及相关课程关系激光原理与技术是为电子科学与技术专业、光信息科学与技术本科专业开设的核心必修专业方向课程（这里未管材料物理的选修课）。该课程理论性、应用性、工程背景和实践性都很强，在光电子和光信息科学与技术领域占有重要地位。本课程主要讲授激光产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术。内容上涉及激光特性描述、开放式光腔及其激光模式分析、光和物质共振相互作用、谱线加宽与线型函数、典型激光器的速率方程、激光的振荡特

2、性、激光的放大特性、典型激光技术的原理和种类等。通过本课程的学习，通过本课程的学习，使学生掌握激光产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术，在培养学生的理论思维能力的同时，训练学生分析和解决实际问题的能力。为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下必要的专业理论基础。相关课程及项目关系：（从左到右为时间顺序、从上到下为开课时序）三、课程教学对象与教学目的适用专业：电子科学与技术、光信息信息科学与技术、材料物理学等本科专业。教学目的：通过本课程的学习，使学生掌握激光与激光技术中的基本概念、基本原理和分析方法；掌握稳定式和非稳定式开放光腔与其输出激光模式的关系；掌握和理

3、解工作物质加宽机制与激光振荡模式及输出特性的关系；掌握改善可控制激光输出特性的典型激光技术如放大、选模、稳频、调Q、锁模等的基本原理、方法和种类。使学生了解激光原理与技术在工农业生产、科研、国防、医学等领域的广泛应用，初步树立激光器件设计的工程意识。提高学生分析、解决光电领域中诸如管理与维护、开发与设计等问题的能力，培养学生思考问题的逻辑性、灵活性与广阔性，为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下坚实的专业理论基础。本课程具体完成培养方案中以下指标，重点完成指标1.1、1.2、2.1、2.2。一级指标二级指标达标要求1 技术基础知识1.1 运用基本学科知识能力AB1.2 应用核心

4、工程基础知识和原理ABC2 个人能力和专业能力2.1 工程推理及解决问题能力BC2.2掌握工程实践所需的个人能力BCD2.3掌握工程实践所需的职业能力AC3 人际交往能力、团队工作和交流3.1 团队合作能力C3.2 人际交流能力B4 在社会环境下构思、设计、实现、运行系统的能力4.1外部和社会背景环境AD4.2企业与商业环境D4.3系统的构思与工程化D*注：该表所列指标可对照培养方案中所列指标来解释。A：认知，指从教、学活动中、从生活经验和社会经验等多种信息渠道获得知识，侧重知识的获取，没有实训要求。B：训练，指教、学活动中由教师引导开展的基础测试或练习，匹配有课程讨论、课后研讨等环节。C：实

5、践，指以学生为主导，通过实练而形成的对完成某种任务所必须的活动方式，匹配有课程的三级项目或其它实践环节。D：探索，指学生独立探寻问题、摸索、解答的活动，不设置专门的考核。（留空表示无该项要求） 四、课程内容、学时分配及主要的教学方法总学时：64学时，其中理论60学时、实践环节4学时， 总学分：4学分。章节序号章节名称重点、难点内容提要学时其他说明1激光的基本原理重点掌握光子简并度、集居数反转的概念；光和物质的三个共振相互过程的名称和特点；激光的特性；理解光相干性的描述方法、激光产生的基本思想。难点：光相干性的描述方法扩展介绍激光在多个领域的应用。4讲授为主，同时辅以动画演示光和物质三个共振相互

6、作用，网上收集激光应用的视频激发学生兴趣。并结合工程实例说明对激光特性的要求。1-0绪论1-1相干性的光子描述1-2光与物质的三个共振相互作用过程1-3光的受激辐射放大1-4光的自激振荡与激光的特性2开放式光腔与高斯光束重点掌握光腔的损耗的种类和描述；横模、纵模的概念；对称共焦腔与一般稳定球面腔的等价关系及模式特点；高斯光束的基本性质和参数概念；非稳腔基模的几何光学处理方法和几何自再现波型。深刻理解：开放式光腔自再现模的形成与衍射积分理论；高斯光束的自再现变换与稳定球面腔的关系；高斯光束的q参数变换、聚焦和准直。难点：稳定腔模式的衍射积分理论分析法。扩展数值迭代法在激光腔模式确定中的应用，扩展

7、光束质量的评价和对实际应用的影响。20讲授为主，同时在某些小节可以采取学生自学后充当小教师的方法，并与课堂讨论、教师总结相结合。结合工程实例介绍稳定腔和非稳腔的分析和设计方法。2-1光腔分类、损耗及腔与模的关系2-2共轴球面腔的稳定性条件2-3开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法2-4平行平面腔模的迭代解法2-5方形和圆形镜对称共焦腔的自再现模与行波场特征2-6一股稳定球面腔与对称共焦腔的等价关系及模式特征2-7高斯光束的基本性质、特征参数及q参数的变换规律2-8高斯光束的聚焦和准直2-9高斯光束的自再现变换与稳定球面腔2-10光束衍射倍率因子2-11非稳腔的几何自再现波型2-12非稳腔的几何

8、放大率及自再现波型的能量损耗4电磁场和物质的共振相互作用重点掌握谱线均匀加宽和非均匀加宽的物理含义、种类以及相应的线型函数；单模情况下典型激光器的速率方程组。理解：均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益系数及增益饱和特点。难点：光学多普勒效应及多普勒加宽；增益饱和的实质、表现及数学处理；烧孔效应的形成过程。11讲授为主，课堂提问和讨论为辅。4-1光和物质相互作用的经典理论简介4-2谱线加宽和线型函数4-3典型激光器的速率方程4-4均匀加宽和非均匀加宽工作物质的增益系数5激光振荡特性重点掌握激光器阈值、模式竞争、兰姆凹陷的基本概念；理解：均匀加宽和非均匀加宽激光器的模式竞争特点；影响均匀加宽和非均匀

9、加宽单模激光器的输出功率和能量的因素。了解：弛豫振荡、频率牵引的概念；单模激光器线宽极限产生的原因。6讲授为主，结合工程实例说明激光器多模振荡形成的原因。5-1激光器的振荡阈值5-2激光器的振荡模式5-3输出功率与能量5-4弛豫振荡5-5单模激光器线宽极限产生的原因5-6激光器的频率牵引6激光放大特性重点掌握几种特殊情况下脉冲激光放大器的输出能量和增益特点；理解均匀激励和纵向光激励的连续激光放大器的增益特性；了解放大自发辐射的概念、用途以及对光放大器的危害。扩展：要求学生调研目前重要的激光放大器种类、工作原理、优缺点及目前的发展和应用情况。6讲授为主，同时辅以学生课后调研。6-1激光放大器的分

10、类6-2均匀激励和纵向光激励连续激光放大器的增益特性6-3脉冲激光放大器的增益特性6-4放大的自发辐射和光放大器的噪声7激光器特性的控制与改善掌握调Q、稳频、锁模、选模的目的、基本概念、基本原理和典型的实现方法。扩展：要求学生调研新型的激光技术及其原理和发展应用情况。13讲授为主，结合工程实例介绍选模、稳频、调Q和锁模的原理，再辅以学生课后调研。7-1模式选择7-2频率稳定7-3Q调制7-4锁模五、实践环节的要求通过让学生进行课后相关知识或激光前沿动向的调研、激光器生产和需求的市场调研、小论文撰写、数值仿真实验等实践环节，使学生消化、巩固和加深对课堂所讲授理论知识的理解，促使学生自己动手动脑去

11、主动探索和掌握激光产生和形成及激光技术的基本理论和基本分析方法，同时提高学生的实际操作技能和学习兴趣，使学生养成自主学习和探索的优良习惯，增强其学习的主动性和积极性，培养其工程意识和创新精神。项目序号项目名称内 容 提 要项目学时实践形式项目类型每组人数项目性质其他说明1谐振腔模式的Matlab实现利用Fox-Li数值迭代法或其它数值方法，利用Matlab编程确定一维或二维谐振腔的自在现模。要求提交数值仿真的题目和目的说明、程序代码、模拟图形及结果分析总结。2上机验证11到3中必须完成1个由教师指定大方向后，学生自己操作完成2激光放大器输出特性的Matlab数值仿真利用Matlab编程数值模拟

12、某种连续或脉冲放大器的输出特性。要求提交数值仿真的题目和目的说明、程序代码、模拟图形及结果分析总结。2上机验证13对某个激光器件和技术问题的Matlab计算模拟对激光器件和技术中某个问题利用Matlab编程进行计算模拟。要求提交计算模拟的题目和目的说明、程序代码、模拟图形及结果分析总结。2上机探索14激光器生产和需求的市场调研对国外或国内对激光器的需求以及生产激光器的某个或某几个公司或企业厂家进行网上或实地（有条件者）调研。要求提交详细的调研报告。2调研调研报告14到7中必须完成1个5激光知识的前沿动向调研就激光理论与技术目前的某个前沿进行调研。要求提交一篇2000字以上的小论文。有题目、中文

13、摘要300字、正文、参考文献。2调研小论文16新型激光器调研调研某种新型激光器，就其原理、优势及发展和应用情况进行阐述。要求提交一篇2000字以上的小论文。有题目、中文摘要300字、正文、参考文献。2调研小论文17新型激光放大器调研调研目前重要的新型激光放大器种类、工作原理、优缺点及目前的发展和应用情况。要求提交一篇2000字以上的小论文。有题目、中文摘要300字、正文、参考文献。2调研小论文1六、学业考核1平时学业考核：考核范围包括出勤情况和纪律表现、综合训练情况（例如：小教师、讨论、辩论、课堂提问等）、作业完成情况等方面，各项成绩比例约为1：2：1。2实践环节考核：考核范围包括实践报告或小论文撰写的规范性、科学性、创新与提高等方面。各项成绩比例约为1：2：2。3课程综合考核：最终考核方式采用