《激光原理》课程教学大纲

《激光原理》教学大纲课程名称：激光原理课程号：D098091812英文名称：ThePrincipleofLaser学时：48学时 学分：3学分开课学期：第6学期适用专业：光电信息科学与工程专业课程类别：理论课课程性质：专业方向与拓展课先修课程：光学、电磁学、高等数学、数学物理方法、原子物理、量子力学一、课程的性质及任务《激光原理》课程是光电信息科学与工程专业专业学生的专业方向与拓展课本课程在《光学》、《电磁学》、《原子物理》、《量子力学》等课程以后开设。它又是《光电技术实验2》、《光电检测技术》等专业课程的先修课。本课程旨在使学生了解激光的应用；掌握激光产生的机理、条件及性质；光学谐振腔及高斯光束的基本性质；激光巨脉冲技术如选模技术、频率稳定技术、调Q技术和锁模技术等基本理论。通过课堂教学和课外作业培养学生分析和解决实际问题的能力，通过后续课程《光电技术实验2》提高学生动手能力和激光实验技巧。为学生将来从事激光技术及应用的科研、教学和生产等打下坚实的基础。依据河北工程大学光电信息科学与工程专业专业培养计划，本课程需要培养学生的能力是：掌握无损检测、光电检测、光电传感的基础知识和理论，熟悉相关技术的应用前景；掌握光电信息科学与工程学科的基本理论和基础知识（毕业要求指标1.2）二、课程目标与要求2.1课程目标1.了解激光的发展史、受激辐射光放大、特性及应用；掌握光的相干性描述；理解激光模式。2.掌握光学多普勒效应；理解谱线加宽的机理、描述及其分类。3.掌握小信号反转粒子数、小信号增益系数。了解大信号反转粒子数、大信号增益系数。4.掌握激光形成的阈值条件；理解模式竞争；了解频率牵引现象及激光器的线宽极限。5.掌握光学变换矩阵；腔的稳定性条件。了解光学谐振腔的衍射理论；自再现模的积分方程。6.掌握方形镜对称共焦腔、圆形镜对称共焦腔及一般稳定球面腔模式特点及其关系；理解高斯光束的基本性质及其传播规律。7.掌握典型激光器速率方程。8.掌握模式选择、频率稳定、调Q及锁模的基本原理；了解相应的基本方法。

激光原理课程教学大纲数理科学与工程学院本科课程教学大纲.2课程目标与毕业要求对应关系课程目标毕业要求二级指标毕业要求12345678●●●●●●●●1.2掌握无损检测、光电检测、光电传感的基础知识和理论，熟悉相关技术的应用前景，掌握分析方法/应用技术；1.具备一定的无损检测、光电检测、光电传感等领域的专门知识。2.3课程目标与培养环节对应矩阵序号课程目标理论教学课内实验课后作业1了解激光的发展史、理论、特性及应用；掌握光的相干性描述；理解激光模式。HL2掌握光学多普勒效应；理解谱线加宽的机理、描述及其分类。HL3掌握小信号反转粒子数、小信号增益系数。了解大信号反转粒子数、大信号增益系数。HM4掌握激光形成的阈值条件；理解模式竞争；了解频率牵引现象及激光器的线宽极限。HM5掌握光学变换矩阵；腔的稳定性条件。了解光学谐振腔的衍射理论；自再现模的积分方程。MM6掌握方形镜对称共焦腔、圆形镜对称共焦腔及一般稳定球面腔模式特点及其关系；理解高斯光束的基本性质及其传播规律。HM7掌握典型激光器速率方程。HM8掌握模式选择、频率稳定、调Q及锁模的基本原理；了解相应的基本方法。M注：H表示该能力的在此环节重点培养；M表示该能力在此环节有应用要求；L表示该能力在此环节有所涉及。2.4目标达成度的评价课程目标1-8主要通过理论教学环节进行培养，在课后作业中有所涉及。主要通过课堂提问测试、课后作业和进行考核。目标达成综合以上内容进行评价。三、教学方法及手段理论教学以课堂讲授为主，面向基础知识的准确、扎实掌握，突出对原理的分析、对方法的总结以及理论体系的完整建立；理论教学强调将各种激光的产生条件、特性与实际应用需求情况紧密联系，面向知识的实际应用；理论教学注重本课程与光学、电磁学、原子物理、量子力学等先修课程的联系，以激光在生产、生活及科研等领域需求作为本课程知识的应用背景，结合激光的产生条件及性质特点光的相干性解释本课程的有关概念和原理。课程强调学生的自主学习，强调通过自学的方式消化、吸收课程的庞大知识量，并在此基础上举一反三。四、课程的基本内容与教学要求第0章绪论[教学目的与要求]：了解激光发展历史、理论体系、特点及激光在社会生产、生活、军事、医疗等领域的应用。[本章主要内容]：激光的发展与现状激光的理论体系激光的特点（支撑课程目标1）激光的应用（支撑课程目标1）[本章重点]：激光的特点。激光的应用。[本章难点]：激光的理论体系。第1章激光的基本原理[教学目的与要求]：掌握光子的相干性描述；理解光波模式、光子态、相格与相干体积之间的关系；理解受激辐射光放大的概念及光放大条件的推导过程；理解自激振荡过程。[本章主要内容]：相干性的光子描述（支撑课程目标1）光的受激辐射基本概念光的受激辐射放大（支撑课程目标1）光的自激振荡激光的特性（支撑课程目标1）[本章重点]：光的相干性；光的受激辐射放大；光的自激振荡。[本章难点]：光的相干性；光波相格；光波模式；光的自激振荡。第2章开放式光腔与高斯光束[教学目的与要求]：掌握共轴球面腔的稳定性条件，开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法，方形镜共焦腔的自再现模，方形镜共焦腔的行波场。理解一般稳定球面腔的模式特征，高斯光束的基本性质及特征参数。了解高斯光束q参数的变换规律。[本章主要内容]：光腔理论的一般问题（支撑课程目标6）共轴球面腔的稳定性条件(支撑课程目标5、6）开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法(支撑课程目标2、5、6）平行平面腔模的迭代解法(支撑课程目标5、6）方形镜共焦腔的自再现模(支撑课程目标2、3、4、5、6）方形镜共焦腔的行波场(支撑课程目标2、3、4、5、6）圆形镜共焦腔(支撑课程目标2、3、4、5、6）一般稳定球面腔的模式特征(支撑课程目标2、3、4、5、6）高斯光束的基本性质及q参数(支撑课程目标2、3、4、5、6）高斯光束q参数的变换规律(支撑课程目标2、3、4、5、6）高斯光束的聚焦与准直(支撑课程目标2、3、4、5、6）高斯光束的自再现变换与稳定球面腔(支撑课程目标2、3、4、5、6）光束衍射倍率因子[本章重点]：共轴球面腔的稳定性条件；开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法；方形镜共焦腔的自再现模；方形镜共焦腔的行波场；圆形镜共焦腔；一般稳定球面腔的模式特征；高斯光束的基本性质及特征参数；高斯光束q参数的变换规律。[本章难点]：开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法；方形镜共焦腔的自再现模；方形镜共焦腔的行波场；高斯光束q参数的变换规律；高斯光束的聚焦与准直。第3章电磁场和物质的共振相互作用[教学目的与要求]：掌握光学多普勒效应；线型函数；典型激光器能级示意图及对应速率方程组；谱线加宽物理机制。粒子数反转；小信号增益系数；大信号增益系数。[本章主要内容]：光与物质相互作用的经典理论；(支撑课程目标2、3）谱线加宽和线型函数；(支撑课程目标2、3、4）典型激光器速率方程；(支撑课程目标3、4、7）均匀加宽和工作物质的增益系数；(支撑课程目标2、3）非均匀加宽和工作物质的增益系数；(支撑课程目标2、3）综合加宽和工作物质的增益系数；非均匀加宽机理；光学多普勒效应。[本章重点]：谱线加宽和线型函数；典型激光器速率方程；均匀加宽和工作物质的增益系数[本章难点]：非均匀加宽和工作物质的增益系数；综合加宽和工作物质的增益系数；第四章激光振荡特性[教学目的与要求]：掌握激光形成的阈值条件，起振模式数，模式竞争，弛豫振荡。理解激光器的线宽极限，频率牵引现象。[本章主要内容]：激光的振荡阈值；(支撑课程目标3、4）激光器的振荡模式；(支撑课程目标3、4）输出功率与能量；弛豫振荡；(支撑课程目标3、4）单模激光器的线宽极限；(支撑课程目标3、4）激光器的频率牵引。[本章重点]：激光形成的阈值条件；起振模式数；模式竞争；弛豫振荡[本章难点]：激光器的线宽极限；模式竞争；频率牵引现象第五章激光放大特性[教学目的与要求]：掌握均匀激励连续激光放大器的增益特性，纵向光激励连续激光放大器的增益特性，脉冲激光放大器的增益特性。了解光放大器的噪声。[本章主要内容]：激光放大器的分类；均匀激励连续激光放大器的增益特性；纵向光激励连续激光放大器的增益特性；脉冲激光放大器的增益特性；放大的自发辐射；光放大器的噪声。[本章重点]：比均匀激励连续激光放大器的增益特性；纵向光激励连续激光放大器的增益特性；脉冲激光放大器的增益特性。[本章难点]：均匀激励连续激光放大器的增益特性；放大的自发辐射；光放大器的噪声。第六章激光特性的控制[教学目的与要求]：掌握模式选择的基本原理，频率稳定基本原理，频率稳定方法，Q调的基本原理。了解锁模基本原理及方法。[本章主要内容]：模式选择的基本原理；(支撑课程目标4、8）模式选择方法；(支撑课程目标4、8）频率稳定基本原理；(支撑课程目标8）频率稳定方法；(支撑课程目标8)Q调的基本原理；(支撑课程目4、8)Q调制的基本方法；(支撑课程目4、8)注入锁定基本原理与方法；锁模基本原理；锁模激光器简介。[本章重点]：模式选择的基本原理；频率稳定基本原理；频率稳定方法；Q调的基本原理；锁模基本原理；锁模激光器简介[本章难点]：频率稳定基本原理；Q调的基本原理及基本方法；锁模基本原理及方法五、课内实验无六、课程学时分配教学课次教学内容教学环节与计划时数教学环节计划时数1绪言理论课22Chp1激光的基本原理§1-1相干性的光子描述理论课23§1-2光的受激辐射基本概念§1-3光的受激辐射放大理论课24§1-4光的自激振荡§1-5激光的特性理论课25Chp2开放式光腔与高斯光束§2-1光腔理论的一般问题§2-2共轴球面腔的稳定条件理论课26§2-3开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法§2-4平行平面腔的迭代解法理论课27§2-5方形镜共焦腔的自再现模理论课28§2-6方形镜共焦腔的行波场§2-7圆形镜共焦腔理论课29§2-8一般稳定球面腔的模式特征§2-9高斯光束的基本性质及特征参数理论课210§2-10高斯光束q参数的变换规律理论课211§2-11高斯光束的聚焦和准直理论课212§2-12高斯光束的自再现变换与稳定球面腔§2-13光束衍射倍率因子理论课213Chp3电磁场和物质的共振相互作用§3-1光与物质相互作用的经典理论简介§3-2谱线加宽和线型函数理论课214§3-3典型激光器速率方程§3-4均匀加宽工作物质的增益系数理论课215Chp4激光振荡特性§4-1激光器的振荡阈值§4-2振荡模式理论课216§4-3输出功率与能量§4-4弛豫振荡理论课217§4-5单模激光的线宽极限§4-6激光器的频率牵引理论课218Chp5激光放大特性§5-1激光放大器的分类§5-2均匀激励连续激光放大器的增益特性理论课219§5-3纵向光激励连续激光放大器的增益特性§5-4脉冲激光放大器的增益特性理论课220§5-5放大的自发辐射§5-6光放大器噪声理论课221Chp6激光器特性的控制与改善§6-1调制器与隔离器§6-2模式选择理论课222§6-3频率稳定理论课223§6-4Q调制理论课224§6-5锁模§6-6激光的非线性频率变换理论课2七、课程考核与成绩评定7.1考核方式考核环节包括课堂表现及作业，其中课堂表现占总成绩的50%，分别由出勤及课堂听课状态、课堂测试情况进行评定；作业情况占总成绩的50%。各环节的比重如下。考核环节比重合计课堂表现出勤情况20%50%听课状态、课堂测试30%作业作业50%50%总计100%100%7.2考核内容及要求本课程为考查课。考核内容及分值分配如下。考核方式考核内容分值课程目标总分值课堂表现课堂测试、出勤情况50目标1、2、3、4、5、6、7、850分课后作业作业完成情况50目标2、3、4、6、750分7.3成绩评定1.课堂表现课堂表现总分50分，由课堂测试与课堂出勤情况评定。其中，听课状态满分10分、课堂测试满分20分，以客观题（填空、选择、判断）为主，每学期随堂测试15~20次，每次测试1~2道题目，每答错一道题目扣0.5分（直到扣满20分为止）；课堂出勤满分20分，缺勤一次扣1分，迟到或请假扣0.5分。2.课后作业课后作业总分50分，由作业完成情况评定。每学期布置作业5次，每次作业占10分，评分标准如下；评分标准分值标准描述课后作业10能够按时认真完成作业、作业态度认真、书写清楚、分析计算正确。8能够按时完成作业、作业态度较好、书写较清楚、分析计算基本正确6能够按时完成作业、作业态度一般、书写不清楚、分析计算错误较多0不交作业或作业态度不认真、抄袭他人作业八、课程评价与持续改进8.1课程评价课程评价周期定为每1年评价一次。设置达成情况目标值，采用成绩分析法进行评价。课程达成评价根据应用物理学专业课程达成评价方法进行计算，评价结果用于持续改进。物理系负责人组织教师实施课程评价，制定持续改进措施，监督持续改进过程。课程负责人负责撰写课程考核总结报告，实施课程评价持续改进。8.2持续改