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1、激光原理课程教学大纲课程代码： 090631009 课程英文名称： Principles of Laser 课程总学时： 48 讲课： 48 实验： 0 上机： 适用专业： 光电信息科学与工程 大纲编写（修订）时间： 2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标 本课程是光电信息科学与工程专业的必修主干专业基础课程， 主要讲授有关激光的基本知识 和基本理论， 在光电信息科学与工程专业培养计划中， 它起到由专业基础理论课向专业课过渡的 承上启下的作用。 本课程在教学内容方面除基本知识、 基本理论的教学外， 还通过课程设计培养 学生的理论分析及其实际应用能力。通过本课程的学习，可以使学
2、生：1. 掌握激光的概念及产生原理、光学谐振腔理论、速率方程理论、激光器的特性及其控制 和改善的原理。了解激光技术新的发展和应用；2. 具有综合运用数学、物理等学科知识对实际与激光有关的问题进行理论分析的能力；3. 获得初步的激光器件设计技能，为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定 重要的基础。（二）知识、能力及技能方面的基本要求1. 知识方面的基本要求通过本科程的学习， 使学生掌握： 激光的概念、 特性及产生原理； 激光器的构成及工作原理； 光学谐振腔与高斯光束知识； 光与物质的共振相互作用的速率方程理论； 激光的振荡特性、 放大 特性及其特性的控制和改善知识。2. 能力方面的基本
3、要求通过本科程的学习， 培养学生： 光学谐振腔分析能力及其初步设计能力； 激光器的振荡特性、 放大特性的分析能力；激光器特性的控制与改善的初步设计能力。3. 技能方面的基本要求通过本课程的学习， 使学生获得： 光学谐振腔设计的初步技能； 激光器特性的控制与改善的 初步的理论设计能力。（三）实施说明 1教学方法：课堂中要重点突出对基本概念和基本原理的讲解；采用启发式教学，培养学 生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导学生主动思考，提高学生的自学能力；鼓励学生 参与讨论和课堂发言， 调动学生学习的积极性； 教学中注意理论联系实际， 培养学生的工程意识 （创新、实践、安全、标准、竞争、法律和管理
4、等意识）和工程能力（思维、自学、研究、操作 和创造能力等） 。2教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案和多媒体教学系统等先进教 学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。本教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而制定的 , 在执行本大纲 时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学 理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。（四）对先修课的要求本课的先修课程：基础物理学、数学物理方法、应用光学、物
5、理光学、量子力学。（五）对习题课、实践环节的要求1 课程内容较多，学时较少，原则上课堂上没有习题课时间，采用课间和课后答疑，课后 督促的方式，使学生独立、按时完成课外习题和作业，根据作业的完成质量作为课程总成绩中的一部分。2 .课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及理论计 算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力， 对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示。3 本课程的课程设计单独设课，单独考核，具体要求参见相应的课程设计教学大纲。（六）课程考核方式1. 考核方式：考试。以闭卷笔试考试成绩为主，参考完成课后作业和上课出勤
6、情况综合评定该课程的总成绩。2. 考核目标：定量评定出学生的学习成绩，督促学生学习；检验教学效果，总结教学经验。3. 成绩构成：试卷成绩x 80% +作业成绩x 10% +出勤成绩x 10%（七）参考书目激光原理.第七版，周炳琨编著.北京：国防工业出版社，2016激光光学第三版，吕百达编.北京：高等教育出版社，2003二、中文摘要本课程是光电信息科学与工程专业的主干必修专业基础课，内容有激光的概念、光学谐振腔、高斯光束、速率方程、激光振荡、激光放大理论及激光特性控制与改善方法等。学习该课程后可 以掌握激光的基本知识、原理和一般问题的理论分析方法，并具有设计简单激光器件的能力，为后续课学习以及相
7、关课程设计、毕业设计等奠定基础。三、课程学时分配表序号教学内容学时讲课实验上机1激光的基本概念441.1光的受激辐射及光放大21.2激光的特性及自激振荡22r开放式光学谐振腔与高斯光束12122.1共轴球面腔的稳定条件22.2衍射积分方程及其迭代解法22.3共焦腔的自再现模及行波场22.4:一般稳定球面腔的模式特征22.5高斯光束及其变换规律22.6非稳腔及其几何自再现波型23光和物质的相互作用12123.1光谱线的加宽及线型函数23.2均匀加宽与非均匀加宽23.3原子与光场的相互作用23.4典型激光器速率方程23.5均匀加宽工作物质增益系数23.6P非均匀加宽工作物质增益系数24激光振荡理论
8、774.1激光振荡的阈值24.2激光振荡的模式24.3激光输出功率与能量35激光放大特性775.1”激光放大器分类及无损放大器25.2连续激光放大器增益放大特性25.3脉冲激光放大器增益放大特性36” 激光特性控制与改善446.1激光模式选择26.2激光器调Q与锁模27期末总结22合计4848四、教学内容及基本要求第1部分激光的基本概念总学时：4 讲课:4 实验:0上机:0第1.1部分 光的受激辐射及光放大（讲课 2学时） 具体内容：1）了解激光应用；2）理解受激辐射、光放大；3）掌握辐射模型。第1.2部分 激光的特性及自激振荡（讲课 2学时） 具体内容：1）了解激光特性；2）理解粒子数反转；
9、3）掌握激光产生的必要、充分条件。重 点：辐射模型、粒子数反转、激光产生的必要、充分条件。难 点：激光产生的必要、充分条件。习 题：第1部分全部习题1 -9题，独立完成。第2部分开放式光学谐振腔与高斯光束总学时:12 讲课:12 实验:0上机:0第2.1部分 共轴球面腔的稳定条件（讲课 2学时） 具体内容：1）了解矩阵光学；2）理解谐振腔作用；3）掌握共轴球面腔的稳定条件。第2.2部分 衍射积分方程及其迭代解法（讲课 2学时） 具体内容：1）了解谐振腔分析方法；2）理解菲涅尔-基尔霍夫衍射积分；3）掌握平行平面腔迭代解法。第 2.3 部分 共焦腔的自再现模及行波场（讲课 2学时） 具体内容：1
10、）了解方形镜共焦腔自再现模求解过程；2）理解方形镜共焦腔的模式特征；3）掌握方形镜共焦腔的行波场。第 2.4 部分 一般稳定球面腔的模式特征（讲课 2学时） 具体内容：1）了解稳定球面腔的模式特征；2）理解等价共焦腔；3）掌握一般稳定球面腔的等价共焦腔求解方法。第 2.5 部分 高斯光束及其变换规律（讲课 2 学时） 具体内容：1）了解高阶高斯光束；2）理解 q 参数；3）掌握高斯光束及其变换规律。第 2.6 部分 非稳腔及其几何自再现波型（讲课 2学时） 具体内容：1）了解非稳腔类型；2）理解几何自再现波型；3）掌握非稳腔能量损耗分析方法。 重 点 :非稳腔及其几等价共焦腔的行波场、 一般稳
11、定球面腔的分析方法、 高斯光束及其变换规律、 何自再现波型 难点 :一般稳定球面腔求解、自再现高斯光束习题 :第2部分习题数量8 -9题，由浅入深，涵盖重点内容。第 3 部分 光和物质的相互作用总学时 :12 讲课:12 实验:0 上机 :0第3.1 部分光谱线的加宽及线型函数（讲课2 学时）具体内容：1)了解光谱线的加宽类型；2)理解光谱线的加宽物理机制；3)掌握线型函数。第3.2 部分均匀加宽与非均匀加宽（讲课2 学时）具体内容：1)了解非均匀加宽；2)理解均匀加宽与非均匀加宽区别；3)掌握均匀加宽线型函数。第 3.3 部分原子与光场的相互作用（讲课 2 学时）具体内容：1) 了解光与物质
12、相互作用基本理论；2) 理解光与物质的共振相互作用；3) 掌握发射截面与受激辐射关系。 第 3.4 部分 典型激光器速率方程(讲课 2 学时)具体内容：1) 了解三、四能级系统激光器工作过程；2) 理解速率方程物理意义；3) 掌握速率方程组稳态求解方法。第 3.5 部分 均匀加宽工作物质增益系数(讲课2 学时)具体内容：1) 了解饱和光强求解过程；2) 理解均匀加宽工作物质反转粒子数饱和原理；3) 掌握均匀加宽工作物质增益系数饱的分析方法。 第 3.6 部分 非均匀加宽工作物质增益系数(讲课 2 学时) 具体内容：1) 了解非均匀加宽工作物质反转粒子数数饱和概念；2) 理解非均匀加宽工作物质增
13、益系数局部饱和原理；3) 掌握非均匀加宽工作物质局部饱和的定性分析方法。 重点 :激光器速率方程、均匀加宽工作物质增益系数。难点 :非均匀加宽工作物质反转粒子数局部饱和。习题 :第3部分(教材第四章)习题数量8 -9题，由浅入深，涵盖重点内容。第 4 部分 激光振荡理论总学时 :7 讲课 :7 实验 :0 上机 :0 第 4.1 部分 激光振荡的阈值(讲课 2 学时)具体内容：1) 了解激光振荡概念；2) 理解反转粒子数阈值推导；3) 掌握三、四能级激光器泵浦阈值计算方法。 第 4.2 部分 激光振荡的模式(讲课 2 学时)具体内容：1) 了解非均匀加宽激光器模式竞争；2) 理解均匀加宽激光器
14、空间烧孔；3) 掌握均匀加宽激光器模式竞争原理。 第 4.3 部分 激光输出功率与能量(讲课 3 学时)具体内容：1) 了解非均匀加宽连续激光器输出原理；2) 理解连续激光器输出原理；3) 掌握激光器输出功率与能量计算方法。重 点:反转粒子数密度阈值、泵浦阈值、激光器输出 难 点:非均匀加宽连续激光器输出习题 :第4部分（教材第五章）习题数量 4 -5题，由浅入深，涵盖综合内容。第 5 部分 激光放大特性总学时 :7 讲课 :7 实验 :0 上机 :0第 5.1 部分 激光放大器分类及无损放大器（讲课 2 学时）具体内容：1）了解激光放大器分类；2）理解最大输出光强条件；3）掌握无损放大器增益推导。第 5.2 部分 连续激光放大器增益放大特
