《激光原理及技术》课程标准

《激光原理及技术》课程标准《激光原理及技术》课程标准《激光原理及技术》课程标准资料仅供参考文件编号：2022年4月《激光原理及技术》课程标准版本号：A修改号：1页次：1.0审核：批准:发布日期：《激光原理及技术》课程标准适用专业：光电信息科学与工程专业所属教研室（系）：光电信息教研室课程名称：激光原理及技术（PrinciplesandTechniquesofLaser）课程类型：专业核心课程学时学分：32学时（学分）一、课程概述（一）课程性质《激光原理及技术》是光电信息科学与工程专业的一门专业核心课程。本课程的目的在于介绍激光的基本理论知识和掌握激光器的使用技术。通过《激光原理及技术》课程的教学，使学生了解和掌握激光器的基本结构、工作原理和基本操控技术，培养学生分析解决激光原理问题的能力。激光原理及应用的预修课程为高等数学、线性代数、数学物理方法和大学物理等基础课程，激光原理为后继课的学习和专业训练提供必要的准备，是高等学校光学工程类和光电信息类各专业学生的一门重要的必需专业课程。我校光电信息科学与工程专业的人才培养目标是要求本专业毕业生在光电信息科学与工程领域方向上具有宽厚的理论基础、扎实的专业基础知识、熟练的实验技能，并具有综合运用专业理论技术分析解决工程问题的基本能力。激光是本专业中应用最为基本、最普遍的工具之一，例如在光纤通信、光存储、激光切割、激光雷达等方面都起着至关重要的作用，为了培养出符合社会需求的应用型人才，就必须要学生掌握激光的基本知识和操作技能。特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光电子方向和相关专业的教学和科研打下扎实的理论基础。该课程共分五章，包括激光的基本原理，开放式光腔和高斯光束，激光介质的增益线形和增益系数，激光器稳态振荡特性，激光器和技术。本课程应先修《大学物理（电磁学、光学部分）》、《高等数学》、《线性代数》、《数学物理方法》等课程，同时它又是《半导体物理与器件》、《光电子技术》、《光电探测和信号处理》和《光电成像原理与技术》等课程的基础。（二）基本原则本课程主要围绕着提高学生知识、技能和思维等方面能力为目标，遵循“掌握原理”、“了解技术”的原则。“掌握原理”是指教学内容要符合物理学专业的培养目标的需要和满足物理学专业学生能力发展的需求。“了解技术”是指教学内容既要保持本课程在以后工作中的应用性和实践性，又要“重难点突出”，让学生了解激光器的广泛应用和使用中常用的技术。（三）设计思路。1.教学改革基本思路本课程依据光电信息科学与工程专业人才培养的目标和规格，在目标设定、教学过程、课程评价和教学资源的开发等方面突出以学生为主体、教师为主导的思想，以提高学生理性思维能力、逻辑推理能力和实际应用能力为主要目标，把知识与技能，过程与方法，理论与应用紧密结合起来。由于激光原理的基本概念和原理对比较复杂，公式推导很多，要求教师在教学时分散难点，由浅入深，尽量减少公式的推导时间，重视实际应用能力的培养，为今后的激光应用打下扎实基础。课程设置知识要求要求学生掌握激光的特性和激光器工作原理，对激光器各个组成部分运转过程有较清楚地认识，掌握激光器的设计和调控技术，了解激光在各个领域的应用现状和未来前景。课程设置能力要求要求学生对激光器件有初步认识，了解常规激光器的使用操作步骤和注意事项，掌握激光器中调控的重要技术，如锁模技术、稳频技术、Q调制技术等。4.课程内容结构章目教学内容学时教学方式或手段课后作业思考题练习题第一章激光基础——爱因斯坦系数关系8讲授、讨论第二章激光谐振腔和高斯光束6讲授、讨论第三章激光工作物质的增益6讲授、讨论第四章激光器稳态振荡特性6讲授、讨论第五章典型激光器与技术6讲授、讨论合计325.学时分配本课程总计32学时，2学分。其中理论教学32学时，实践教学0学时，教学安排在第4学期。6.教学方式描述以课堂授课形式为主，兼顾基本理论和应用技术相结合，邀请相关行业专家讲解激光在应用中使用技术和发展动态等。7.考试与评价方式（或方案）建立“三位一体”的评价方式，亦即过程评价：以学生在教学过程的参与程度作为评价的基本标准；目标评价：以课程标准目标作为评价的重要标准；能力评价：以学生运用本课程知识解决相关理论和实际问题为参照标准。期末考试：采用闭卷考试或专题论文形式。总成绩=平时成绩30%+期末考试成绩70%。平时成绩分为三部分，其中作业占平时成绩的50%，考勤占平时成绩的30%，课堂表现占平时成绩的20%。二、课程目标（一）总体目标。全面系统地理解激光原理的基本概论和规律，特别要掌握激光的特性、掌握产生和调制激光的基本原理等重点内容的知识点，同时要区别不同类型激光器的工作性能和作用，培养学生调试和操作各种激光器的技能，并能应用这些基本概念和规律分析激光工作的原理和性能，熟悉激光技术在工业和医疗等方面的广泛应用，深化学生对光电相关领域的理解。培养学生运用激光处理相关问题的能力，加强对学生理解、分析、综合能力的训练。通过本课程的学习使学生得到专业技能的培养和训练，为后续课程中对激光器的基础知识和使用技能的要求做好准备。（二）具体目标。1.知识目标：掌握激光产生的基本原理和规律；能应用这些基本概念和规律分析激光工作的原理和性能；了解激光技术在工业和医疗设备等方面的广泛应用。2.能力目标：培养学生的理性思维能力和逻辑推理能力，教学中注重培养学生对激光特性和激光器件运转过程的认知能力，分析和解决激光器调节和控制的能力。3.素质目标：通过本课程的学习使学生具有良好的专业素质和能力素养，深化学生对普通物理中有关内容的理解。三、课程内容与教学要求第一章激光基础——爱因斯坦系数关系（一）课程教学内容§基础内容。1、光波模式和光子态2、电子学载波技术的迷茫§提高内容。1、爱因斯坦关系——自发辐射和受激辐射2、光的受激辐射放大与振荡——激光器运转的阈值和稳定条件§拓展内容。1、激光特性和课程体系2、复习第一章内容，讲解作业和部分课后习题（二）学习性主要任务。1、理解光波模式和光子的概念和物理含义。2、掌握光波模与光子态的相干性、自发辐射、受激辐射与辐射的受激吸收、爱因斯坦关系、激光器的构成及阈值条件、激光特性。3、理解载波和噪声波、电磁载波技术。4、理解粒子数反转和光的受激放大。（三）学时分配。8学时（其中习题课2学时）第二章激光谐振腔和高斯光束（一）课程教学内容§基础内容。1、光腔的损耗及损耗描述2、共轴球面腔的光线传输矩阵理论§提高内容。1、对称共焦腔的自再现模行波场2、一般稳定腔的高斯光束§拓展内容。1、高斯光束的传输与变换复习第二章内容，讲解作业和部分课后习题（二）学习性主要任务。1、理解光腔稳定条件、本征光束和开腔模的概念和物理含义。2、掌握光腔损耗、光线传输矩阵、Fox和Li的开腔模迭代求解方法、自再现模本征积分方程。3、理解对称共焦腔镜面上自再现模光场分布和行波场——高斯光束。4、理解高斯光束的传输规律。（三）学时分配。6学时（其中习题课2学时）第三章激光工作物质的增益（一）课程教学内容§基础内容。1、经典理论2、谱线加宽机制及加宽线型§提高内容。1、激光器速率方程2、激光介质增益及增益饱和(模式竞争)§拓展内容。1、光放大概念分析复习第三章内容，讲解作业和部分课后习题（二）学习性主要任务。1、理解受激吸收和色散现象的麦克斯韦理论和物理含义。2、掌握电偶极子近似模型、均匀加宽、单模速率方程、均匀加宽介质。3、理解综合加宽、多模振荡速率方程。4、理解综合加宽介质、光放大概念分析。（三）学时分配。6学时（其中习题课2学时）第4章激光器稳态振荡特性（一）课程教学内容§基础内容。1、振荡阈值条件2、阈值特性§提高内容。1、激光器稳态输出特性2、定态激光器频率特性§拓展内容。1、定态激光器极限线宽（二）学习性主要任务。1、理解振荡阈值条件和非均匀加宽激光器的多纵模振荡的概念和物理含义。2、掌握阈值特性、均匀加宽激光器的模式竞争。3、理解非均匀加宽激光器的多纵模振荡。4、理解输出功率及最佳耦合。（三）学时分配。6学时。第5章典型激光器与技术（一）课程教学内容§基础内容。1、各类激光器工作原理及应用：气体激光器、半导体激光器、固体激光器和调Q激光器等§提高内容。1、激光器的调控技术和应用（二）学习性主要任务。1、了解气体激光器、半导体激光器、固体激光器、调Q激光器、锁模激光器等工作原理和各自特性，并理解各激光器的实际应用情况。2、掌握典型半导体激光器和Q调制原理。3、各类激光器调节技术和在不同领域的应用。（三）学时分配。6学时。四、教学建议（一）教学组织建议。（退两格，行距18，小四号仿宋字加黑）考虑到本课程理论性强，数学计算较难，没有相关实验可做等特点，在讲授讨论作业等考试教学环节中应注意：1.重视对物理概念的理解，强调对激光的基本知识体系的整体理解与把握，在涉及关键的物理概念处，注意启发学生的创造性思维。可采取讨论课的方法，预留思考题，组织学生进行充分的研讨；在爱因斯坦关系、激光谐振腔等重要结论处，注意理论与实际的联系，讨论应用中的操作问题，培养学生动手操作的能力。2.注意现代教学手段的适当运用，在该课程的教学过程中可根据适当情况,选用或编制教学软件或课件,丰富教学内容,活跃课堂气氛,激发学生学习的积极性,吸引学生的注意力。3.教学手段上，复习和总结前期学习过得相关基础知识，分析基本原理，尽量避免学生陷入过多的繁难的数学计算中。加强对学生的理论内容的掌握，重点要领会到不同激光器的操作技巧和调试方法，培养学生独立解决实际问题的能力。4.由于本课程理论性较强，运算复杂，基本概念抽象，学生学习本课程有一定的难度,建议考核以考查方式为主,主要考察学生对知识的掌握情况和分析问题解决问题的能力，考察学生综合运用基本知识解决问题的能力。平时辅以适度的练习,以考核学生对基本知识和基本方法的掌握程度。平时成绩由作业及课堂笔记、自学笔记为主，主要考察学生的自学能力。5.本课程标准只是课程教学的基本要求,按照教育教学原则,教师的教学工作必须以学生的认识发展水平为依据,在深入钻研教材的基础上,进行创造的工作,这正是搞好教学工作的重要保证。（二）教材选用建议。推荐教材:1.《激光原理》，周炳琨等国防工业出版社第7版，（2016）。2.《激光原理及应用》，陈家璧主编，电子工业出版社，（2004）。参考书目：1.《激光原理与技术》安毓英、刘继芳、曹长庆编著，科学出版社，（2010）。2.《固体激光工程》，（美）W.克希耐尔著，孙文等译，科学出版社，（2003）。3.《激光技术》，蓝信钜，科学出版社，（2000）。4.《激光工程》，（日）中井贞雄著，熊缨译，科学出版社，（2002）。5.《激光物理》，钱梅珍等著，第二版