《激光原理與器件》課程教學(xué)大綱

《激光原理與器件》課程設(shè)計教學(xué)大綱一、課程概況課程中文名稱激光原理與器件課程英文名稱LaserPrinciplesandDevices課程編號19151313課程類別□公共必修課□公選課□院級限選課□學(xué)科基礎(chǔ)課□專業(yè)基礎(chǔ)課□專業(yè)限選課■專業(yè)任選課總學(xué)時24講授學(xué)時24實驗學(xué)時總學(xué)分1.5開課單位理學(xué)院開課系所物理授課對象電子科學(xué)與技術(shù)本科生先修課程《大學(xué)物理》、《高等數(shù)學(xué)》《電動力學(xué)》《量子力學(xué)》《工程光學(xué)》二、課程簡介《激光原理與器件》是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生的專業(yè)任選課，采用科學(xué)出版社出版的《激光原理與技術(shù)》教材，基本課時為24理論學(xué)時。課程定位是使學(xué)生掌握激光器的基本工作原理和基本技術(shù)，熟悉各種激光器件，達到能熟練使用常規(guī)激光器的目的。通過課堂理論教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實際問題的能力，使學(xué)生具備扎實的理論基礎(chǔ)，為將來畢業(yè)后從事有關(guān)光電子與光通信領(lǐng)域的科研、教學(xué)、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售等工作打下堅實的基礎(chǔ)。三、課程性質(zhì)本課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的專業(yè)任選課。該課程以光電子學(xué)為基礎(chǔ)，涵蓋了量子力學(xué)、電動力學(xué)、光學(xué)、電子學(xué)、固體物理等學(xué)科知識，應(yīng)用性強，可作為電子、通訊類專業(yè)的選修課。四、課程教學(xué)目標(biāo)通過本課程的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握激光器的基本原理及應(yīng)用領(lǐng)域?；驹聿糠謶?yīng)掌握并理解光波模式、諧振腔、高斯光束傳播與控制原理、增益飽和效應(yīng)等問題。應(yīng)用部分要求學(xué)生了解及部分掌握激光控制技術(shù)，包括抽運、模式選擇、模式競爭、調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)等。對常用典型激光器，應(yīng)熟練掌握紅寶石激光器、釹激光器、氦氖激光器、二氧化碳激光器、氬離子激光器及適量的典型半導(dǎo)體激光器。五、理論教學(xué)內(nèi)容及要求前言【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：激光產(chǎn)生的歷史及發(fā)展過程，在激光技術(shù)發(fā)展過程中的代表性人物及代表技術(shù)；（2）理解：激光技術(shù)的理論基礎(chǔ)；（3）掌握：激光技術(shù)發(fā)展的趨勢?！緦W(xué)時分配】1學(xué)時?！臼谡n方式】講授1學(xué)時?！臼谡n內(nèi)容】第一節(jié)激光技術(shù)產(chǎn)生的理論基礎(chǔ)科技進步為激光技術(shù)提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；科技需求是激光技術(shù)產(chǎn)生及發(fā)展的直接動力；第二節(jié)激光技術(shù)產(chǎn)生及發(fā)展過程中的主要事件及代表人物愛因斯坦對激光技術(shù)的巨大貢獻；對激光技術(shù)的研究直接導(dǎo)致量子電動力學(xué)的產(chǎn)生；湯斯及肖洛的諧振腔構(gòu)想及實踐；布隆伯根三能級系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)研究；梅曼的第一臺激光器；國內(nèi)激光技術(shù)的形成及發(fā)展歷程；【教學(xué)重點和難點】（1）重點：激光理論的形成及發(fā)展歷程；國內(nèi)激光技術(shù)的代表技術(shù)及代表人物；【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法，兼有課堂討論及課堂提問。（2）教學(xué)手段：采用多媒體、板書教學(xué)【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】1、課外閱讀資料要求課外閱讀適量資料，內(nèi)容為國外激光技術(shù)的前沿，國內(nèi)激光技術(shù)的發(fā)展趨勢及成就。.2、作業(yè)與思考題從激光產(chǎn)生過程，理解科學(xué)進步的規(guī)律性及勇于探索敢于創(chuàng)新的科學(xué)精神。第一章激光基礎(chǔ)——愛因斯坦系數(shù)關(guān)系【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：激光的特性。（2）理解：激光受激輻射放大及自激振蕩，光子兼并度概念。（3）掌握：愛因斯坦輻射基本理論。【學(xué)時分配】4學(xué)時。【授課方式】講授4學(xué)時?！臼谡n內(nèi)容】第一節(jié)相干性光子描述1.光子基本性質(zhì)2.光波模式和光子狀態(tài)相格3.光子相干性4.光子兼并度第二節(jié)光的受激輻射基本概念1.黑體輻射的普朗克公式2.受激輻射及自發(fā)輻射概念3.愛因斯坦輻射系數(shù)的關(guān)系4.受激輻射的相干性第三節(jié)光的受激輻射放大1.光放大概念的產(chǎn)生2.實現(xiàn)光放大的條件----集局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)3.光放大物質(zhì)的增益系數(shù)與增益曲線第四節(jié)光的自激振蕩1.自激振蕩的概念2.振蕩條件第五節(jié)激光的特性1.激光的空間相干性和方向性2.時間相干性和單色性3.激光的高亮度（強相干性）【教學(xué)重點和難點】（1）重點：愛因斯坦輻射、激光自激振蕩。（2）難點：激光模式。【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：采用多媒體、板書結(jié)合的方式?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】作業(yè)與思考題每兩節(jié)課后布置1-2道習(xí)題，教材P23頁共9道習(xí)題，教師可根據(jù)情況進行選擇。第二章激光諧振腔和高斯光束【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：諧振腔的構(gòu)成及分類；光腔模式與光腔的關(guān)系；平行平面腔的迭代法；一般穩(wěn)定球面腔的模式特征。（2）理解：諧振腔的增益與損耗關(guān)系；高斯光束的Q參數(shù)變換規(guī)律。（3）掌握：高斯光束的聚焦與準(zhǔn)直；方形鏡與圓形鏡共焦腔的模式特征；非穩(wěn)腔的幾何自再現(xiàn)及能量損耗?！緦W(xué)時分配】4學(xué)時?！臼谡n方式】講授4學(xué)時。【授課內(nèi)容】第一節(jié)光腔理論的一般問題1.光腔的構(gòu)成和分類2.模的概念----腔與模的一般關(guān)系3.光腔的損耗第二節(jié)共軸球面腔的穩(wěn)定條件1.腔內(nèi)光線往返傳播的矩陣表示2.共軸球面腔的穩(wěn)定條件第三節(jié)一般穩(wěn)定球面腔的模式特征1鏡面上光斑尺寸2模體積3等相位面4諧振頻率5衍射損耗6基模遠場發(fā)散角第四節(jié)高斯光束的基本性質(zhì)1基模高斯光束2基模高斯光束在自由空間的傳輸規(guī)律3基模高斯光束的特征參數(shù)4高階高斯光束第五節(jié)高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直1高斯光束的聚焦2高斯光束的準(zhǔn)直第六節(jié)高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔1利用透鏡實現(xiàn)自再現(xiàn)變換2球面反射鏡對高斯光束的自再現(xiàn)變換3高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔【教學(xué)重點和難點】（1）重點：高斯光束的腔內(nèi)特點及行波特點；高斯光束的聚焦及準(zhǔn)直。（2）難點：高斯光束的聚焦及準(zhǔn)直。【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式兼討論方式組織教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：采用多媒體、板書教學(xué)。【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】1、課外閱讀資料查找并閱讀福克斯-李迭代法論文。2、作業(yè)與思考題P97-100頁共有32道習(xí)題，每節(jié)課后布置相關(guān)內(nèi)容作業(yè)1-2道，教師在教學(xué)中可進行調(diào)整。第三章激光工作物質(zhì)的增益【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：激光理論的四種研究方式。（2）理解：譜線加寬的原因；譜線加寬對激光場的影響；增益飽和效應(yīng)。（3）掌握：線型函數(shù)在解決實際問題中的作用；增益飽和效應(yīng)。【學(xué)時分配】3學(xué)時?！臼谡n方式】講授3學(xué)時?！臼谡n內(nèi)容】第一節(jié)光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡介0激光的四種研究理論體系1.原子自發(fā)輻射的經(jīng)典模型2.受激吸收和色散現(xiàn)象的經(jīng)典理論第二節(jié)譜線加寬和線型函數(shù)1均勻加寬2非均勻加寬3綜合加寬第三節(jié)典型激光器的速率方程1自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收概率2單模振蕩速率方程3多模振蕩速率方程第四節(jié)均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)1反轉(zhuǎn)集居數(shù)飽和2增益飽和第五節(jié)非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)1增益飽和2燒孔效應(yīng)第六節(jié)綜合加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)【教學(xué)重點和難點】（1）重點：速率方程；增益飽和；譜線加寬。（2）難點：速率方程解決實際問題。【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：講授式教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：板書教學(xué)。【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】作業(yè)與思考題P157-160頁共22道習(xí)題，每節(jié)課后布置相關(guān)習(xí)題1-2道，教師在教學(xué)中可進行調(diào)整。第四章激光器穩(wěn)態(tài)振蕩特性【教學(xué)目標(biāo)】（1）理解：激光器振蕩閾值；抽運閾值功率；三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)的特點；激光振蕩模式；輸出功率與能量；弛豫振蕩與線寬極限；頻率牽引。（2）掌握：三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)的特點；抽運閾值功率；輸出功率與能量?！緦W(xué)時分配】4學(xué)時?！臼谡n方式】講授4學(xué)時。【授課內(nèi)容】第一節(jié)激光器的振蕩閾值1閾值反轉(zhuǎn)集居數(shù)密度2閾值增益系數(shù)3連續(xù)或長脈沖激光器的閾值泵浦功率4短脈沖第二節(jié)激光器的振蕩模式1均勻加寬激光器中的模式競爭2非均勻加寬激光器的多縱模振蕩第三節(jié)輸出功率與能量1連續(xù)或場脈沖激光器的輸出功率2短脈沖激光器的輸出能量3激光器的效率第四節(jié)弛豫振蕩第五節(jié)單模激光器的線寬極限第六節(jié)激光器的頻率牽引1色散現(xiàn)象2頻率牽引【教學(xué)重點和難點】（1）重點：振蕩模式；輸入輸出閾值功率或能量。（2）難點：輸入輸出閾值功率或能量?！臼谡n方法與手段】（1）教學(xué)方法：講授式教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：板書教學(xué)?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】作業(yè)與思考題P182-184頁共16道習(xí)題，每節(jié)課后布置相關(guān)習(xí)題1-2道，教師在教學(xué)中可進行調(diào)整。第五章激光放大特性【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：激光放大器的分類；光放大器的噪聲。（2）理解：均勻激勵連續(xù)激光放大器的增益特性；縱向光激勵連續(xù)激光放大器的增益特性；脈沖激光放大器的增益特性；ASE?！緦W(xué)時分配】2學(xué)時?！臼谡n方式】講授2學(xué)時。【授課內(nèi)容】第一節(jié)激光放大器的分類1按照時間特性分類2按照工作方式分類第二節(jié)均勻激勵連續(xù)激光放大器的增益特性1輸入信號強度對放大器增益的影響2最大輸出光強3增益譜寬及輸出譜線輪廓變窄第三節(jié)縱向光激勵連續(xù)激光放大器的增益特性1輸運方程2小信號增益特性3大信號增益特性第四節(jié)脈沖激光放大器的增益特性1輸運方程2脈沖放大器的輸出能量及能量增益3功率增益與脈沖寬度變窄第五節(jié)放大的自發(fā)輻射（ASE）1放大的自發(fā)輻射的強度2放大的自發(fā)輻射的方向性3放大的自發(fā)輻射的線寬第六節(jié)光放大器的噪聲【教學(xué)重點和難點】重點：光放大器噪聲【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：講授式、自學(xué)方式。（2）教學(xué)手段：板書教學(xué)。【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】思考題激光器與激光放大器的區(qū)別和聯(lián)系；影響激光放大器的因素有哪些。第六章激光器特性的控制與改善【教學(xué)目標(biāo)】掌握：激光控制技術(shù)中的模式選擇、頻率穩(wěn)定、調(diào)Q、注入鎖定、鎖模等技術(shù)。【學(xué)時分配】2學(xué)時?！臼谡n方式】講授2學(xué)時?！臼谡n內(nèi)容】第一節(jié)模式選擇1.橫模選擇2.縱模選擇第二節(jié)頻率穩(wěn)定1.蘭姆凹陷穩(wěn)頻2.賽曼穩(wěn)頻3.飽和吸收穩(wěn)頻4無源腔穩(wěn)頻第三節(jié)Q調(diào)制1.Q調(diào)制激光器的工作原理2.Q調(diào)制方法3.調(diào)Q激光器的基本理論4脈沖透射式調(diào)Q（腔倒空）第四節(jié)注入鎖定1.連續(xù)激光器的注入鎖定2.脈沖激光器的注入鎖定3注入鎖定的實際意義第五節(jié)鎖模1.鎖模原理2.實現(xiàn)鎖模的方法3.均勻加寬激光器主動鎖模自洽理論【教學(xué)重點和難點】（1）重點：第七章全部內(nèi)容皆是重點。（2）難點：主動鎖模的自洽理論【授課方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：采用多媒體、板書結(jié)合的方式?！菊n外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】作業(yè)與思考題每兩節(jié)課后布置1-2道習(xí)題，教材P243頁共有15道習(xí)題，授課教師可根據(jù)學(xué)生實際情況及學(xué)習(xí)要求適當(dāng)調(diào)整。第七章典型激光器和激光放大器【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：典型激光器的振蕩參數(shù)及工作方式，了解光纖激光器的特性。（2）理解：不同工作物質(zhì)激光器的抽運方式差異。（3）掌握：紅寶石激光器、釹激光器、二氧化碳激光器、氦氖激光器、氬離子激光器等典型固體和氣體以及化學(xué)激光器。【學(xué)時分配】3學(xué)時。【授課方式】講授4學(xué)時。【授課內(nèi)容】第一節(jié)固體激光器1.光泵激勵2.紅寶石激光器3.釹激光器4.鈦寶石激光器第二節(jié)氣體激光器1.氦氖激光器2.氬離子激光器3.二氧化碳激光器4.氮激光器第三節(jié)染料激光器1.光放大概念的產(chǎn)生2.實現(xiàn)光放大的條件----集局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)3.光放大物質(zhì)的增益系數(shù)、、與增益曲線第四節(jié)光纖放大器、、、1.EDFA2.PDFA第五節(jié)光纖激光器1.摻雜光纖激光器、的運轉(zhuǎn)波長2.諧振腔類型3.激光器的閾值、4輸出功率、、5雙包層摻鐿激光器、、6主動鎖模摻鉺激光器【教學(xué)重點和難點】重點：各典型激光器工作方式皆為重點，光纖激光器尤為重要?！臼谡n方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：采用多媒體、板書結(jié)合的方式。【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】思考題通過文獻查找教材中主要激光器的發(fā)展趨勢，了解光纖激光器的應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)展趨勢。第八章半導(dǎo)體二極管激光器和激光放大器【教學(xué)目標(biāo)】（1）了解：半導(dǎo)體激光器的特性及振蕩頻率。（2）理解：半導(dǎo)體激光器光束空間特性與半導(dǎo)體激光器特有結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。（3）掌握：半導(dǎo)體二極管激光器的主要特性?！緦W(xué)時分配】2學(xué)時?！臼谡n方式】講授2學(xué)時?！臼谡n內(nèi)容】第一節(jié)半導(dǎo)體工作物質(zhì)中的光增益第二節(jié)半導(dǎo)體二極管激光器的基本結(jié)構(gòu)1.x方向的載流子約束和光約束2.y方向的載流子約束和光約束第三節(jié)對稱三層介質(zhì)平板波導(dǎo)中的本征模1.TE模的場分布和本征值方程2.TM模的場分布和本征值方程3.對稱三層介質(zhì)平板波導(dǎo)中本征值方程的解第四節(jié)光強分布與約束因子1.模場振幅及強度分布2.光約束因子（OpticalConfinementFactor）3d很小時的本征值方程及Гm的近似解析表達式4d很小時的光約束方法第五節(jié)半導(dǎo)體二極管激光器的主要特性1.閾值電流密度2.半導(dǎo)體二極管激光器的輸出功率3.半導(dǎo)體二極管激光器的直接電流調(diào)制第六節(jié)半導(dǎo)體光放大器的主要參數(shù)【教學(xué)重點和難點】重點：半導(dǎo)體二極管激光器的主要特性；半導(dǎo)體光放大器的主要參數(shù)?！臼谡n方法與手段】（1）教學(xué)方法：采用講授式教學(xué)方法。（2）教學(xué)手段：采用多媒體、板書結(jié)合的方式。【課外學(xué)習(xí)指導(dǎo)的要求】作業(yè)與思考題利用互聯(lián)網(wǎng)查找典型半導(dǎo)體激光器并記錄對應(yīng)的參數(shù)；搜索國內(nèi)主要半導(dǎo)體生產(chǎn)企業(yè)，特別是半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)企業(yè)，列出廣東省相關(guān)企業(yè)的具體地址及聯(lián)系方式。六、課程考核要求1、考核主要環(huán)節(jié)：包括考勤、作業(yè)、課程論文、課程考試2、考核方式：平時