《激光原理》課程教學(xué)大綱

《激光原理》教學(xué)大綱課程名稱：激光原理課程號(hào)：D098091812英文名稱：ThePrincipleofLaser學(xué)時(shí)：48學(xué)時(shí) 學(xué)分：3學(xué)分開課學(xué)期：第6學(xué)期適用專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程專業(yè)課程類別：理論課課程性質(zhì)：專業(yè)方向與拓展課先修課程：光學(xué)、電磁學(xué)、高等數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)物理方法、原子物理、量子力學(xué)一、課程的性質(zhì)及任務(wù)《激光原理》課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)專業(yè)學(xué)生的專業(yè)方向與拓展課本課程在《光學(xué)》、《電磁學(xué)》、《原子物理》、《量子力學(xué)》等課程以后開設(shè)。它又是《光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)2》、《光電檢測(cè)技術(shù)》等專業(yè)課程的先修課。本課程旨在使學(xué)生了解激光的應(yīng)用；掌握激光產(chǎn)生的機(jī)理、條件及性質(zhì)；光學(xué)諧振腔及高斯光束的基本性質(zhì)；激光巨脈沖技術(shù)如選模技術(shù)、頻率穩(wěn)定技術(shù)、調(diào)Q技術(shù)和鎖模技術(shù)等基本理論。通過課堂教學(xué)和課外作業(yè)培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力，通過后續(xù)課程《光電技術(shù)實(shí)驗(yàn)2》提高學(xué)生動(dòng)手能力和激光實(shí)驗(yàn)技巧。為學(xué)生將來從事激光技術(shù)及應(yīng)用的科研、教學(xué)和生產(chǎn)等打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。依據(jù)河北工程大學(xué)光電信息科學(xué)與工程專業(yè)專業(yè)培養(yǎng)計(jì)劃，本課程需要培養(yǎng)學(xué)生的能力是：掌握無損檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電傳感的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，熟悉相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用前景；掌握光電信息科學(xué)與工程學(xué)科的基本理論和基礎(chǔ)知識(shí)（畢業(yè)要求指標(biāo)1.2）二、課程目標(biāo)與要求2.1課程目標(biāo)1.了解激光的發(fā)展史、受激輻射光放大、特性及應(yīng)用；掌握光的相干性描述；理解激光模式。2.掌握光學(xué)多普勒效應(yīng)；理解譜線加寬的機(jī)理、描述及其分類。3.掌握小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、小信號(hào)增益系數(shù)。了解大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、大信號(hào)增益系數(shù)。4.掌握激光形成的閾值條件；理解模式競(jìng)爭(zhēng)；了解頻率牽引現(xiàn)象及激光器的線寬極限。5.掌握光學(xué)變換矩陣；腔的穩(wěn)定性條件。了解光學(xué)諧振腔的衍射理論；自再現(xiàn)模的積分方程。6.掌握方形鏡對(duì)稱共焦腔、圓形鏡對(duì)稱共焦腔及一般穩(wěn)定球面腔模式特點(diǎn)及其關(guān)系；理解高斯光束的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律。7.掌握典型激光器速率方程。8.掌握模式選擇、頻率穩(wěn)定、調(diào)Q及鎖模的基本原理；了解相應(yīng)的基本方法。

激光原理課程教學(xué)大綱數(shù)理科學(xué)與工程學(xué)院本科課程教學(xué)大綱.2課程目標(biāo)與畢業(yè)要求對(duì)應(yīng)關(guān)系課程目標(biāo)畢業(yè)要求二級(jí)指標(biāo)畢業(yè)要求12345678●●●●●●●●1.2掌握無損檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電傳感的基礎(chǔ)知識(shí)和理論，熟悉相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用前景，掌握分析方法/應(yīng)用技術(shù)；1.具備一定的無損檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電傳感等領(lǐng)域的專門知識(shí)。2.3課程目標(biāo)與培養(yǎng)環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)矩陣序號(hào)課程目標(biāo)理論教學(xué)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)課后作業(yè)1了解激光的發(fā)展史、理論、特性及應(yīng)用；掌握光的相干性描述；理解激光模式。HL2掌握光學(xué)多普勒效應(yīng)；理解譜線加寬的機(jī)理、描述及其分類。HL3掌握小信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、小信號(hào)增益系數(shù)。了解大信號(hào)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)、大信號(hào)增益系數(shù)。HM4掌握激光形成的閾值條件；理解模式競(jìng)爭(zhēng)；了解頻率牽引現(xiàn)象及激光器的線寬極限。HM5掌握光學(xué)變換矩陣；腔的穩(wěn)定性條件。了解光學(xué)諧振腔的衍射理論；自再現(xiàn)模的積分方程。MM6掌握方形鏡對(duì)稱共焦腔、圓形鏡對(duì)稱共焦腔及一般穩(wěn)定球面腔模式特點(diǎn)及其關(guān)系；理解高斯光束的基本性質(zhì)及其傳播規(guī)律。HM7掌握典型激光器速率方程。HM8掌握模式選擇、頻率穩(wěn)定、調(diào)Q及鎖模的基本原理；了解相應(yīng)的基本方法。M注：H表示該能力的在此環(huán)節(jié)重點(diǎn)培養(yǎng)；M表示該能力在此環(huán)節(jié)有應(yīng)用要求；L表示該能力在此環(huán)節(jié)有所涉及。2.4目標(biāo)達(dá)成度的評(píng)價(jià)課程目標(biāo)1-8主要通過理論教學(xué)環(huán)節(jié)進(jìn)行培養(yǎng)，在課后作業(yè)中有所涉及。主要通過課堂提問測(cè)試、課后作業(yè)和進(jìn)行考核。目標(biāo)達(dá)成綜合以上內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)。三、教學(xué)方法及手段理論教學(xué)以課堂講授為主，面向基礎(chǔ)知識(shí)的準(zhǔn)確、扎實(shí)掌握，突出對(duì)原理的分析、對(duì)方法的總結(jié)以及理論體系的完整建立；理論教學(xué)強(qiáng)調(diào)將各種激光的產(chǎn)生條件、特性與實(shí)際應(yīng)用需求情況緊密聯(lián)系，面向知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用；理論教學(xué)注重本課程與光學(xué)、電磁學(xué)、原子物理、量子力學(xué)等先修課程的聯(lián)系，以激光在生產(chǎn)、生活及科研等領(lǐng)域需求作為本課程知識(shí)的應(yīng)用背景，結(jié)合激光的產(chǎn)生條件及性質(zhì)特點(diǎn)光的相干性解釋本課程的有關(guān)概念和原理。課程強(qiáng)調(diào)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，強(qiáng)調(diào)通過自學(xué)的方式消化、吸收課程的龐大知識(shí)量，并在此基礎(chǔ)上舉一反三。四、課程的基本內(nèi)容與教學(xué)要求第0章緒論[教學(xué)目的與要求]：了解激光發(fā)展歷史、理論體系、特點(diǎn)及激光在社會(huì)生產(chǎn)、生活、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。[本章主要內(nèi)容]：激光的發(fā)展與現(xiàn)狀激光的理論體系激光的特點(diǎn)（支撐課程目標(biāo)1）激光的應(yīng)用（支撐課程目標(biāo)1）[本章重點(diǎn)]：激光的特點(diǎn)。激光的應(yīng)用。[本章難點(diǎn)]：激光的理論體系。第1章激光的基本原理[教學(xué)目的與要求]：掌握光子的相干性描述；理解光波模式、光子態(tài)、相格與相干體積之間的關(guān)系；理解受激輻射光放大的概念及光放大條件的推導(dǎo)過程；理解自激振蕩過程。[本章主要內(nèi)容]：相干性的光子描述（支撐課程目標(biāo)1）光的受激輻射基本概念光的受激輻射放大（支撐課程目標(biāo)1）光的自激振蕩激光的特性（支撐課程目標(biāo)1）[本章重點(diǎn)]：光的相干性；光的受激輻射放大；光的自激振蕩。[本章難點(diǎn)]：光的相干性；光波相格；光波模式；光的自激振蕩。第2章開放式光腔與高斯光束[教學(xué)目的與要求]：掌握共軸球面腔的穩(wěn)定性條件，開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法，方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模，方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)。理解一般穩(wěn)定球面腔的模式特征，高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)。了解高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律。[本章主要內(nèi)容]：光腔理論的一般問題（支撐課程目標(biāo)6）共軸球面腔的穩(wěn)定性條件(支撐課程目標(biāo)5、6）開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法(支撐課程目標(biāo)2、5、6）平行平面腔模的迭代解法(支撐課程目標(biāo)5、6）方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）圓形鏡共焦腔(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）一般穩(wěn)定球面腔的模式特征(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）高斯光束的基本性質(zhì)及q參數(shù)(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）高斯光束的聚焦與準(zhǔn)直(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔(支撐課程目標(biāo)2、3、4、5、6）光束衍射倍率因子[本章重點(diǎn)]：共軸球面腔的穩(wěn)定性條件；開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法；方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模；方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)；圓形鏡共焦腔；一般穩(wěn)定球面腔的模式特征；高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)；高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律。[本章難點(diǎn)]：開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法；方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模；方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)；高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律；高斯光束的聚焦與準(zhǔn)直。第3章電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用[教學(xué)目的與要求]：掌握光學(xué)多普勒效應(yīng)；線型函數(shù)；典型激光器能級(jí)示意圖及對(duì)應(yīng)速率方程組；譜線加寬物理機(jī)制。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；小信號(hào)增益系數(shù)；大信號(hào)增益系數(shù)。[本章主要內(nèi)容]：光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論；(支撐課程目標(biāo)2、3）譜線加寬和線型函數(shù)；(支撐課程目標(biāo)2、3、4）典型激光器速率方程；(支撐課程目標(biāo)3、4、7）均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；(支撐課程目標(biāo)2、3）非均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；(支撐課程目標(biāo)2、3）綜合加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；非均勻加寬機(jī)理；光學(xué)多普勒效應(yīng)。[本章重點(diǎn)]：譜線加寬和線型函數(shù)；典型激光器速率方程；均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)[本章難點(diǎn)]：非均勻加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；綜合加寬和工作物質(zhì)的增益系數(shù)；第四章激光振蕩特性[教學(xué)目的與要求]：掌握激光形成的閾值條件，起振模式數(shù)，模式競(jìng)爭(zhēng)，弛豫振蕩。理解激光器的線寬極限，頻率牽引現(xiàn)象。[本章主要內(nèi)容]：激光的振蕩閾值；(支撐課程目標(biāo)3、4）激光器的振蕩模式；(支撐課程目標(biāo)3、4）輸出功率與能量；弛豫振蕩；(支撐課程目標(biāo)3、4）單模激光器的線寬極限；(支撐課程目標(biāo)3、4）激光器的頻率牽引。[本章重點(diǎn)]：激光形成的閾值條件；起振模式數(shù)；模式競(jìng)爭(zhēng)；弛豫振蕩[本章難點(diǎn)]：激光器的線寬極限；模式競(jìng)爭(zhēng)；頻率牽引現(xiàn)象第五章激光放大特性[教學(xué)目的與要求]：掌握均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性，縱向光激勵(lì)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。了解光放大器的噪聲。[本章主要內(nèi)容]：激光放大器的分類；均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性；縱向光激勵(lì)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；放大的自發(fā)輻射；光放大器的噪聲。[本章重點(diǎn)]：比均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性；縱向光激勵(lì)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。[本章難點(diǎn)]：均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性；放大的自發(fā)輻射；光放大器的噪聲。第六章激光特性的控制[教學(xué)目的與要求]：掌握模式選擇的基本原理，頻率穩(wěn)定基本原理，頻率穩(wěn)定方法，Q調(diào)的基本原理。了解鎖?；驹砑胺椒?。[本章主要內(nèi)容]：模式選擇的基本原理；(支撐課程目標(biāo)4、8）模式選擇方法；(支撐課程目標(biāo)4、8）頻率穩(wěn)定基本原理；(支撐課程目標(biāo)8）頻率穩(wěn)定方法；(支撐課程目標(biāo)8)Q調(diào)的基本原理；(支撐課程目4、8)Q調(diào)制的基本方法；(支撐課程目4、8)注入鎖定基本原理與方法；鎖?；驹?；鎖模激光器簡(jiǎn)介。[本章重點(diǎn)]：模式選擇的基本原理；頻率穩(wěn)定基本原理；頻率穩(wěn)定方法；Q調(diào)的基本原理；鎖?；驹恚绘i模激光器簡(jiǎn)介[本章難點(diǎn)]：頻率穩(wěn)定基本原理；Q調(diào)的基本原理及基本方法；鎖?；驹砑胺椒ㄎ?、課內(nèi)實(shí)驗(yàn)無六、課程學(xué)時(shí)分配教學(xué)課次教學(xué)內(nèi)容教學(xué)環(huán)節(jié)與計(jì)劃時(shí)數(shù)教學(xué)環(huán)節(jié)計(jì)劃時(shí)數(shù)1緒言理論課22Chp1激光的基本原理§1-1相干性的光子描述理論課23§1-2光的受激輻射基本概念§1-3光的受激輻射放大理論課24§1-4光的自激振蕩§1-5激光的特性理論課25Chp2開放式光腔與高斯光束§2-1光腔理論的一般問題§2-2共軸球面腔的穩(wěn)定條件理論課26§2-3開腔模式的物理概念和衍射理論分析方法§2-4平行平面腔的迭代解法理論課27§2-5方形鏡共焦腔的自再現(xiàn)模理論課28§2-6方形鏡共焦腔的行波場(chǎng)§2-7圓形鏡共焦腔理論課29§2-8一般穩(wěn)定球面腔的模式特征§2-9高斯光束的基本性質(zhì)及特征參數(shù)理論課210§2-10高斯光束q參數(shù)的變換規(guī)律理論課211§2-11高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直理論課212§2-12高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔§2-13光束衍射倍率因子理論課213Chp3電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用§3-1光與物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡(jiǎn)介§3-2譜線加寬和線型函數(shù)理論課214§3-3典型激光器速率方程§3-4均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)理論課215Chp4激光振蕩特性§4-1激光器的振蕩閾值§4-2振蕩模式理論課216§4-3輸出功率與能量§4-4弛豫振蕩理論課217§4-5單模激光的線寬極限§4-6激光器的頻率牽引理論課218Chp5激光放大特性§5-1激光放大器的分類§5-2均勻激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性理論課219§5-3縱向光激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性§5-4脈沖激光放大器的增益特性理論課220§5-5放大的自發(fā)輻射§5-6光放大器噪聲理論課221Chp6激光器特性的控制與改善§6-1調(diào)制器與隔離器§6-2模式選擇理論課222§6-3頻率穩(wěn)定理論課223§6-4Q調(diào)制理論課224§6-5鎖?！?-6激光的非線性頻率變換理論課2七、課程考核與成績(jī)?cè)u(píng)定7.1考核方式考核環(huán)節(jié)包括課堂表現(xiàn)及作業(yè)，其中課堂表現(xiàn)占總成績(jī)的50%，分別由出勤及課堂聽課狀態(tài)、課堂測(cè)試情況進(jìn)行評(píng)定；作業(yè)情況占總成績(jī)的50%。各環(huán)節(jié)的比重如下?？己谁h(huán)節(jié)比重合計(jì)課堂表現(xiàn)出勤情況20%50%聽課狀態(tài)、課堂測(cè)試30%作業(yè)作業(yè)50%50%總計(jì)100%100%7.2考核內(nèi)容及要求本課程為考查課?？己藘?nèi)容及分值分配如下?？己朔绞娇己藘?nèi)容分值課程目標(biāo)總分值課堂表現(xiàn)課堂測(cè)試、出勤情況50目標(biāo)1、2、3、4、5、6、7、850分課后作業(yè)作業(yè)完成情況50目標(biāo)2、3、4、6、750分7.3成績(jī)?cè)u(píng)定1.課堂表現(xiàn)課堂表現(xiàn)總分50分，由課堂測(cè)試與課堂出勤情況評(píng)定。其中，聽課狀態(tài)滿分10分、課堂測(cè)試滿分20分，以客觀題（填空、選擇、判斷）為主，每學(xué)期隨堂測(cè)試15~20次，每次測(cè)試1~2道題目，每答錯(cuò)一道題目扣0.5分（直到扣滿20分為止）；課堂出勤滿分20分，缺勤一次扣1分，遲到或請(qǐng)假扣0.5分。2.課后作業(yè)課后作業(yè)總分50分，由作業(yè)完成情況評(píng)定。每學(xué)期布置作業(yè)5次，每次作業(yè)占10分，評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)如下；評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)分值標(biāo)準(zhǔn)描述課后作業(yè)10能夠按時(shí)認(rèn)真完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度認(rèn)真、書寫清楚、分析計(jì)算正確。8能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度較好、書寫較清楚、分析計(jì)算基本正確6能夠按時(shí)完成作業(yè)、作業(yè)態(tài)度一般、書寫不清楚、分析計(jì)算錯(cuò)誤較多0不交作業(yè)或作業(yè)態(tài)度不認(rèn)真、抄襲他人作業(yè)八、課程評(píng)價(jià)與持續(xù)改進(jìn)8.1課程評(píng)價(jià)課程評(píng)價(jià)周期定為每1年評(píng)價(jià)一次。設(shè)置達(dá)成情況目標(biāo)值，采用成績(jī)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。課程達(dá)成評(píng)價(jià)根據(jù)應(yīng)用物理學(xué)專業(yè)課程達(dá)成評(píng)價(jià)方法進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)結(jié)果用于持續(xù)改進(jìn)。物理系負(fù)責(zé)人組織教師實(shí)施課程評(píng)價(jià)，制定持續(xù)改進(jìn)措施，監(jiān)督持續(xù)改進(jìn)過程。課程負(fù)責(zé)人負(fù)責(zé)撰寫課程考核總結(jié)報(bào)告，實(shí)施課程評(píng)價(jià)持續(xù)改進(jìn)。8.2持續(xù)改