《激光原理与技术》课程教学大纲

《激光原理与技术》课程教学大纲课程编号：04110614课程性质：专业方向课先修课程：大学物理学、光学适合专业：电子科学与技术开设学期：第六学期考核方式：考查或考试总学时数：54学分：3（一）课程教学目标《激光原理与技术》是电子科学与技术和应用物理学专业的一门主干专业课。通过激光原理与技术的教学，使学生了解和掌握激光器的基本原理和基本技术，培养学生分析解决激光物理问题的能力，特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光电子方向教学和科研打下扎实的理论基础。（二）课程的目的与任务本课程的教学目的在于介绍激光的基本理论知识和基本技术知识。本课程从激光的物理学基础出发，着重阐明物理概念，以及激光输出特性与激光器参数之间的关系，主要包括辐射理论概要与激光产生的条件、激光器的工作原理、激光器的输出特性、激光的基本技术、典型激光器介绍和激光在精密测量、加工、医学、信息技术、科学技术前沿问题中的应用等几个部分。（三）理论教学的基本要求通过本课程学习，应使学生了解激光物理学领域的基本概念和最新发展状况；理解掌握基本的激光原理与技术，能够加深学到的理论并掌握应用方法；了解激光在计量、加工、医学、信息技术，以及现代科技前沿问题中的应用。通过教学的各个环节使学生达到各章中所提的基本要求。（四）教学学时分配数章次各章名称总学时学时分配讲课实验上机课外小计前言前言111第一章辐射理论概要与激光产生的条件101010第二章激光器的工作原理121212第三章激光器的输出特性121212第四章激光的基本技术101010第五章典型激光器介绍444第六章激光在精密测量中的应用111第七章激光加工技术111第八章激光在医学中的应用111第九章激光在信息技术中的应用111第十章激光在科学技术前沿问题中的应用111总计545454（五）大纲内容第一章辐射理论概要与激光产生的条件教学目的：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。教学基本要求：学习和研究光的基本性质；学习光的辐射原理；讨论与激光的发明和激光的技术发展有关的物理基础及产生激光的条件。教学内容：§1－1光的波粒二象性一.光波二.光子§1－2原子的能级和辐射跃迁原子能级和简并度热学原子状态的标记玻尔兹曼分布辐射跃迁和非辐射跃迁§1－3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§1－4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§1－5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教学提示：从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁，在阐明光的辐射原理等激光的物理基础后讨论激光的产生条件。教学重点：光的基本性质的研究；研究激光原理、比较激光与普通光源的区别；影响激光器性能的重要因素的研究，以及激光的产生条件讨论。教学难点：原子能级和辐射跃迁原理的阐明；激光器性能因素：光谱线宽度、线型函数的讲解和激光产生条件的讨论。学法指导：由浅入深领会激光的物理基础，通过比较了解激光的主要特点进而理解激光的辐射原理，并在此基础上学习掌握影响激光器性能的因素与激光的产生条件。小结：本章从介绍光的波粒二象性开始研究原子的辐射跃迁，接着研究了发明激光的物理基础和提高激光性能方面的研究，最后阐述激光形成的条件。第二章激光器的工作原理教学目的：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；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。4.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。教学基本要求：学习和研究激光器的工作原理；对激光器工作过程的物理图像有比较清晰的理解。教学内容：§2－1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§2－2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§2－3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§2－4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§2－5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教学提示：注意对激光器的工作原理进行详细介绍与讨论。教学重点：激光器主要组成部分的讨论；激光器工作原理。教学难点：条理清晰地讲解激光器的工作过程的物理图像。学法指导：学生在该章节的条理性学习将为后面内容的学习打下坚实基础。小结：本章通过讨论激光器的主要组成部分，分析描述激光器工作过程的数学模型，并从这个模型出发讨论粒子数密度发生反转的条件，工作过程中增益介质的饱和现象，以及激光工作的阈值，对激光器的工作原理进行了详细介绍。第三章激光器的输出特性教学目的：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。教学基本要求：熟悉谐振腔的衍射理论；熟悉激光器在谐振腔中传播，即激光的输出特性。教学内容：§3－1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§3－2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§3－3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§3－4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§3－5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教学提示：突出激光器作为光源与普通光源的主要区别。教学重点：激光器由一个谐振腔，高度的相干性也是由谐振腔决定的。教学难点：讲清谐振腔的衍射理论及激光的重要特点。学法指导：前两章的学习已经为激光的输出特性打下了基础，在此基础上进一步研究激光在谐振腔中的传播。小结：本章从谐振腔的衍射理论开始研究激光输出的高斯光束传播特性，激光器的输出功率，以及激光器输出的线宽极限。第四章激光的基本技术教学目的：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。教学基本要求：了解改变激光辐射的特性的激光技术。教学内容：§4－1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§4－2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§4－3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§4－4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§4－5激光偏转技术一.机械偏转二.电光偏转三.声光偏转§4－6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§4－7激光锁模技术一.锁模原理二.主动锁模三.被动锁模教学提示：激光技术可以改变激光辐射的特性，有的技术直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，有的则独立应用于谐振腔外。教学重点：选模技术、稳频技术、调Q技术、锁模技术、光束变换技术、调制技术和偏转技术。教学难点：各种激光技术的工作原理，几种技术的并用。学法指导：注意各种激光技术的特点与影响。小结：为将激光器发出的高亮度、高相干性、方向性好的辐射转化为可供实用的光能，激光技术得到极大的发展。本章讨论激光工程中一些主要的单元技术，直接对激光器谐振腔的输出特性产生作用，如选膜技术、稳频技术、调Q技术和锁模技术等；有的则独立应用于谐振腔外，如光束变换技术、调制技术和偏转技术等。第五章典型激光器介绍教学目的：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。教学基本要求：了解激光器的各种分类方法；了解部分激光器的运行方式。教学内容：§5－1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§5－2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§5－3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§5－4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§5－5其他激光器一.准分子激光器二.自由电子激光器三.化学激光器教学提示：注意讲清各种激光器的分类方法及各种激光器的工作原理。教学重点：激光分类方法：按工作波段分类、按运转方式分类；固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器等。教学难点：讲清几种激光器的特点与运行方式。学法指导：注意本章中的激光器介绍来说明前几章的理论，并为接下来的学习做必要的准备。小结：本章将按照激光器工作物质分类，主要讨论下列几种类型的激光器：固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器。然后简单介绍一些具体有特殊运行方式且有较好应用前景的激光器。第六章激光在精密测量中的应用教学目的：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。教学基本要求：了解激光在精密测量中的应用。教学内容：§6－1激光干涉测长§6－2激光衍射测量§6－3激光测距§6－4激光准直及多自由度测量§6－5激光多普勒测速§6－6环形激光测量角度和角加速度教学提示：激光最早期的应用是在计量领域，而激光优异的单色性、方向性和高亮度，使它在多方面得到应用。教学重点：干涉测量技术、衍射测量方法脉冲测距法和相位测距法、激光的高亮度和高度相干性。教学难点：激光各方面的综合应用。学法指导：注意激光各种测量技术及其在加工工业、医学、IT产业等各方面的应用。小结：激光可以与自然基准光的波长直接相联系，实现高精度测量，本章首先介绍激光在精密测量中的应用。激光经过近40年的发展，已经走出实验室，成为可以在生产车间使用的测量检定标准，激光衍射测量也成为许多在线控制系统的长度传感器。激光同时具有高亮度和高相干性，使得光的多普勒效应能够在测速方面得到应用。第七章激光加工技术教学目的：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。教学基本要求：了解激光在加工领域中的应用。教学内容：§7－1激光热加工原理§7－2激光表面改性技术§7－3激光去除材料技术§7－4激光焊接§7－5激光快速成型技术§7－6其他激光加工技术教学提示：激光加工指的是激光束作用于物体表面而引起的物体成形或改性的加工过程。已经成为加工领域中的一种常用技术，成为21世纪先进制造技术中不可缺少的一部分。教学重点：激光热加工、激光光化学反应加工。教学难点：激光与材料的相互作用过程的物理描述。学法指导：注意区别激光热加工与激光光化学反应加工。小结：激光热加工是基于激光束照射物体所引起的快速热效应的各种加工过程。激光光化学反应是借助于高密度高能光子引发或控制光化学反应的各种加工过程。本章主要讨论与激光热加工有关的问题。第八章激光在医学中的应用教学目的：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。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。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。了解医用激光设备（光源、光纤）。了解医用激光新技术和光动力学治疗的前景。教学基本要求：了解激光在医学临床中的应用。教学内容：§8－1激光与生物体的相互作用§8－2激光在临床治疗中的应用§8－3激光在生物体检测及诊断中的应用§8－4医用激光设备§8－5激光应用于医学的未来教学提示：诊断和治疗在本质上都是利用激光与生物体的相互作用。教学重点：生物体的光学特性、激光对生物体的作用、激光在医学中的应用。教学难点：激光技术与医学相结合。学法指导：首先了解激光与生物体的相互作用，然后了解激光医学。小结：在医学领域中，激光的应用范围非常广泛，不仅在临床上激光作为一种技术手段，被各种临床学科用于疾病的诊断和治疗，而且在基础医学中的细胞水平的操作和生物学领域中激光技术也占有重要地位。本章主要对激光在医学临床，重点是激光在诊断和治疗领域中的应用进行论述。第九章激光在信息技术中的应用教学目的：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。教学基本要求：了解激光在现代信息领域的应用。教学内容：§9－1光纤通信系统中的激光器和光放大器§9－2激光全息三维显示§9－3激光存储技术§9－4激光扫描和激光打印机§9－5量子光通信中的激光源教学提示：从技术角度看，信息涉及到的领域十分广阔，以激光为信息载体，激光在信息领域多方面均有应用。教学重点：激光器与光纤通信、激光全息技术、激光存储技术、激光扫描和打印技术、激光与量子通信。教学难点：激光在信息领域多方面应用的过程原理。学法指导：注意激光在信息技术中的应用所涉及的一些新思想、新概念、新技术等。小结：本章将涉及激光通信、激光显示、激光存储，以及激光打印等许多重要的领域，这些领域已经产生许多成熟的技术和应用，有着光明的发展前途和广阔的应用前景，是21世纪最活跃的激光应用领域。第十章激光在科学技术前沿问题中的应用教学目的：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。教学基本要求：了解激光在科学技术前沿问题中的应用。教学内容：§10－1激光核聚变§10－2激光冷却§10－3激光操纵微粒§10－4激光诱导化学过程§10－5激光光谱学§10－6激光用于反常多普勒效应的基础物理研究教学提示：激光对科学技术的发展起到了极大的促进作用，尽管有些应用还处于研究阶段，其前景广阔，对这些前沿问题的研究还是很有必要的。教学重点：激光与核聚变、激光冷却、激光与微粒操纵、激光诱导化学过程和激光光谱学。教学难点：激光在科学研究中的应用的过程原理。学法指导：前面几章介绍了激光在人们生产及生活中应用，而本章则是激光在科学领域的应用。小结：作为20世纪最重要的高新技术发明之一，激光已经对科学技术的发展起到了极大地促进作用，几乎所有的自然科学研究领域都有应用激光技术取得的研究成果。本章主要选择激光在科学研究，一些比较重要而又比较典型的前沿应用予以介绍。（六）课程有关说明《激光原理及应用》是第三学年开设的课程，学生已经先修了《大学物理》课程，有了这个基础，再学《激光原理及应用》是一种较好的安排。本课程以课堂教学为主，课堂教学中，让学生更多地了解激光原理和它的各种应用技术。激光技术在短短几十年内就推广应用到现代工业、农业、医学、通信、国防和科学技术