激光原理與技術(shù)課程教學(xué)大綱

1、激光原理與技術(shù)課程教學(xué)大綱二、講授大綱與各章的基本要求第一章 輻射理論概要與激光產(chǎn)生的條件教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解光的波粒二象性，掌握光的偏振性、單色光的含義、平面光波的表示法、光強(qiáng)的定義和光子的含義。2掌握原子能級和簡并度的含義，理解原子狀態(tài)標(biāo)記的方法，理解輻射躍遷選擇定則，掌握玻爾茲曼分布定律，掌握輻射躍遷也非輻射躍遷的定義和特點(diǎn)。3理解黑體輻射的概念和規(guī)律，掌握光和物質(zhì)相互作用時三種基本過程的特點(diǎn)、規(guī)律、發(fā)生幾率，以及三者之間的關(guān)系。掌握自發(fā)輻射光功率和受激輻射光功率在普通光源和激光器中的大小關(guān)系。4掌握光譜線、線型、光譜線寬度的概念，掌握自然增寬、碰撞增寬、多普勒增寬的原

2、因、展寬線型、增寬大小及其影響因素，理解均勻增寬和非均勻增寬的概念和含義，理解綜合增寬的含義。5理解光在介質(zhì)中受激放大的過程和規(guī)律，掌握介質(zhì)中產(chǎn)生激光放大的條件，理解吸收系數(shù)和增益系數(shù)的概念，掌握光學(xué)諧振腔在激光器中的作用和激光閾值條件。教學(xué)時數(shù)：10學(xué)時教學(xué)內(nèi)容：第一節(jié) 光的波粒二象性一、光波二、光子第二節(jié) 原子的能級和輻射躍遷一、原子能級和簡并度二、原子狀態(tài)的標(biāo)記 三、玻爾茲曼分布 四、輻射躍遷和非輻射躍遷第三節(jié) 光的受激輻射一、黑體熱輻射二、光和物質(zhì)的作用三、自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收之間的關(guān)系四、自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率 第四節(jié) 光譜線增寬一、光譜線、線型和光譜線寬度1 / 1

3、2二、自然增寬三、碰撞增寬四、多普勒增寬五、均勻增寬和非均勻增寬線型六、綜合增寬第五節(jié) 激光形成的條件一、介質(zhì)中光的受激輻射放大二、光學(xué)諧振腔和閾值條件考核要求： 1、光的波粒二象性1.1 光波偏振性（領(lǐng)會）1.2 光速、頻率和波長的關(guān)系（領(lǐng)會）1.3 單色平面波（領(lǐng)會）1.4 光強(qiáng)（識記）1.5 光子（領(lǐng)會） 2、原子的能級和輻射躍遷 2.1 原子能級和簡并度（領(lǐng)會） 2.2 原子狀態(tài)的標(biāo)記（領(lǐng)會）2.3 輻射躍遷的選擇定則（領(lǐng)會）2.4 玻爾茲曼分布（領(lǐng)會、應(yīng)用）2.5 輻射躍遷和非輻射躍遷（領(lǐng)會、識記）3、光的受激輻射3.1 黑體熱輻射（領(lǐng)會）3.2 自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收（領(lǐng)會、

4、識記、應(yīng)用）3.3 自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收之間的關(guān)系（領(lǐng)會）3.4 自發(fā)輻射光功率與受激輻射光功率（領(lǐng)會）4、光譜線增寬4.1 光譜線的線型函數(shù)、寬度（識記）4.2 自然增寬的理論解釋、增寬線型、影響增寬的因素（識記、應(yīng)用）4.3 碰撞增寬的理論解釋、增寬線型、影響增寬的因素（識記、應(yīng)用）4.4 多普勒增寬的理論解釋、增寬線型、影響增寬的因素（識記、應(yīng)用）4.5 均勻增寬和非均勻增寬的概念（領(lǐng)會）4.6 綜合增寬（領(lǐng)會）5、激光形成的條件5.1 光束在介質(zhì)中的傳播規(guī)律（領(lǐng)會）5.2 產(chǎn)生受激光放大的條件、增益介質(zhì)和增益系數(shù)（識記、應(yīng)用）5.3 光學(xué)諧振腔的作用、閾值條件（領(lǐng)會、識記）第二

5、章 激光器的工作原理教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1理解光學(xué)諧振腔滿足穩(wěn)定性條件的重要性，掌握穩(wěn)定性的條件，理解共軸球面腔穩(wěn)定圖和分類，學(xué)會穩(wěn)定圖的應(yīng)用。2理解三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)的激光工作方式，掌握速率方程組的建立、推導(dǎo)和粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的條件。掌握激光器在小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布情況和在均勻增寬型介質(zhì)中的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布。理解粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)。3掌握均勻增寬型介質(zhì)中的增益系數(shù)和增益飽和。4掌握在非均勻增寬型介質(zhì)中粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布規(guī)律，掌握在非均勻增寬型介質(zhì)中小信號時的增益系數(shù)和穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和，掌握燒孔效應(yīng)的原理。5了解激光器所存在的各種損耗和起因，掌握激

6、光諧振腔內(nèi)穩(wěn)定光強(qiáng)的形成過程，掌握激光器的能穩(wěn)定出光的閾值條件（包括增益閾值，抽運(yùn)功率閾值等）。了解激光介質(zhì)能級選取的注意事項(xiàng)。教學(xué)時數(shù)：12學(xué)時第一節(jié) 光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性一、共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件二、共軸球面腔的穩(wěn)定圖及其分類三、穩(wěn)定圖的應(yīng)用第二節(jié) 速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)一、三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)二、速率方程組三、穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布四、小信號工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布五、均勻增寬型介質(zhì)的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布六、均勻增寬型介質(zhì)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布的飽和效應(yīng)第三節(jié) 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和一、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)二、均勻增寬介質(zhì)的增益飽和第四節(jié) 非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和

7、一、介質(zhì)在小信號時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布值二、非均勻增寬型介質(zhì)在小信號時的增益系數(shù)三、非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布四、非均勻增寬型介質(zhì)穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和第五節(jié) 激光器的損耗與閾值條件一、激光器的損耗二、激光諧振腔內(nèi)形成穩(wěn)定光強(qiáng)的過程三、閾值條件四、對介質(zhì)能級選取的討論考核要求： 1、光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性1.1 共軸球面諧振腔的穩(wěn)定性條件（應(yīng)用）1.2 共軸球面腔的穩(wěn)定圖及分類（識記）1.3 穩(wěn)定圖的應(yīng)用（應(yīng)用）2、速率方程組與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)2.1 三能級系統(tǒng)和四能級系統(tǒng)（領(lǐng)會）2.2 速率方程組的建立（領(lǐng)會）2.3 穩(wěn)態(tài)工作時的粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（識記）2.4 飽和效應(yīng)（領(lǐng)會、識記）3

8、、均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和3.1 均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)和增益飽和（領(lǐng)會、識記）4、非均勻增寬介質(zhì)的增益飽和4.1 粒子數(shù)密度反轉(zhuǎn)分布（識記）4.2 非均勻增寬介質(zhì)的增益系數(shù)（識記）4.3 穩(wěn)態(tài)情況下的增益飽和（領(lǐng)會、識記）5、激光器的損耗與閾值條件5.1 激光器的損耗（識記）5.2 穩(wěn)定光強(qiáng)的形成過程（領(lǐng)會、識記）5.3 閾值條件（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）5.4 對介質(zhì)能級選?。I(lǐng)會）第三章 激光器的輸出特性教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1理解自再現(xiàn)模概念，掌握自再現(xiàn)模的特點(diǎn)。掌握自再現(xiàn)模積分方程解的物理意義，理解激光諧振腔的諧振條件，理解激光縱模的特點(diǎn)和含義，掌握縱模頻率和頻率間隔公式

9、，會分析縱?？赡艽嬖诘臄?shù)量。2理解方形鏡面共焦腔自再現(xiàn)模積分方程的解析解，掌握鏡面上自再現(xiàn)模場的特征（振幅分布、相位分布、衍射損耗等）了解共焦腔中的行波場和腔內(nèi)外的光場分布。3掌握高斯光束的振幅和強(qiáng)度分布、相位分布、遠(yuǎn)場發(fā)散角以及高斯光束的高亮度。4理解穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔的含義，了解穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性。5掌握均勻增寬型和非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率以及影響因素。理解蘭姆凹陷的形成原因。6掌握影響激光器線寬的因素。教學(xué)時數(shù)：12學(xué)時第一節(jié) 光學(xué)諧振腔的衍射理論一、菲涅耳基爾霍夫衍射公式二、光學(xué)諧振腔的自再現(xiàn)模積分方程三、激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模第二節(jié) 對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布

10、一、共焦腔鏡面上的場分布二、共焦腔中的行波場與腔內(nèi)外的光場分布第三節(jié) 高斯光束的傳播特性一、高斯光束的振幅和強(qiáng)度分布二、高斯光束的相位分布三、高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角四、高斯光束的高亮度第四節(jié) 穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性一、穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔二、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性第五節(jié) 激光器的輸出功率一、均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率二、非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率考核要求：1、光學(xué)諧振腔的衍射理論1.1 菲涅耳基爾霍夫衍射公式（領(lǐng)會）1.2 自再現(xiàn)模（領(lǐng)會、識記）1.3 激光縱模（領(lǐng)會、識記）2、對稱共焦腔內(nèi)外的光場分布2.1 鏡面上自再現(xiàn)模場的特征（領(lǐng)會、識記）2.2 行波場和腔內(nèi)外光場分布（了

11、解）3、高斯光束的傳播特性3.1 高斯光束的強(qiáng)度分布（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）3.2 相位分布（領(lǐng)會）3.3 遠(yuǎn)場發(fā)散角（領(lǐng)會、識記、應(yīng)用）3.4 高亮度（領(lǐng)會）4、穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性4.1 穩(wěn)定球面腔的等價共焦腔（領(lǐng)會）4.2 穩(wěn)定球面腔的光束傳播特性（領(lǐng)會）5、激光器的輸出功率5.1 均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率（領(lǐng)會）5.2非均勻增寬型介質(zhì)激光器的輸出功率、蘭姆凹陷（領(lǐng)會）6、激光器的線寬極限（領(lǐng)會）第四章 激光的基本技術(shù)教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解激光器選模的目的和意義，理解均勻增寬型譜線的縱模競爭，掌握單縱模選取的方法，掌握激光單橫模的選取方法。2了解激光器頻率穩(wěn)定的衡量

12、方法，掌握影響激光器頻率穩(wěn)定的因素，了解常見的幾種穩(wěn)頻的方法。3了解高斯光束透過透鏡時的變換規(guī)律，掌握高斯光束的聚焦、準(zhǔn)直、擴(kuò)束等技術(shù)的原理和方法。4理解激光調(diào)制的概念，了解電光強(qiáng)度調(diào)制和電光相位調(diào)制。5了解實(shí)現(xiàn)激光偏轉(zhuǎn)的幾種主要途徑。6理解激光諧振腔的品質(zhì)因素Q的含義，掌握調(diào)Q的原理，了解幾種常見調(diào)Q的方法。7理解激光鎖模技術(shù)的含義，掌握鎖模的原理，了解鎖模的2種常見途徑。教學(xué)時數(shù)：10學(xué)時第一節(jié) 激光器輸出的選模一、激光單縱模的選取二、激光單橫模的選取第二節(jié) 激光器的穩(wěn)頻一、影響頻率穩(wěn)定的因素二、穩(wěn)頻方法概述三、蘭姆凹陷法穩(wěn)頻四、飽和吸收法穩(wěn)頻第三節(jié) 激光束的變換一、高斯光束通過薄透鏡時的

13、變換二、高斯光束的聚焦三、高斯光束的準(zhǔn)直四、激光的擴(kuò)束第四節(jié) 激光調(diào)制技術(shù)一、激光調(diào)制的基本概念二、電光強(qiáng)度調(diào)制三、電光相位調(diào)制第五節(jié) 激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)一、機(jī)械偏轉(zhuǎn)二、電光偏轉(zhuǎn)三、聲光偏轉(zhuǎn)第六節(jié) 激光調(diào)Q技術(shù)一、激光諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q二、調(diào)Q原理三、電光調(diào)Q四、聲光調(diào)Q五、染料調(diào)Q第七節(jié) 激光鎖模技術(shù)一、鎖模原理二、主動鎖模三、被動鎖?？己艘螅?、激光器輸出的選模1.1 均勻增寬型譜線的縱模競爭（領(lǐng)會）1.2 非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩（領(lǐng)會）1.3 單縱模的選?。I(lǐng)會、識記）1.4 單橫模的選?。I(lǐng)會、識記）2、激光器的穩(wěn)頻2.1 影響頻率穩(wěn)定的因素（識記）2.2 穩(wěn)頻方法（了解）3、激光束

14、的變換3.1 高斯光束通過透鏡時的變換（領(lǐng)會、應(yīng)用）3.2 高斯光束的聚焦（領(lǐng)會、應(yīng)用）3.3 高斯光束的準(zhǔn)直（領(lǐng)會、應(yīng)用）3.4 激光的擴(kuò)束（領(lǐng)會、應(yīng)用）4、激光調(diào)制技術(shù)4.1 調(diào)制的基本概念（領(lǐng)會）4.2 電光強(qiáng)度調(diào)制和電光相位調(diào)制（了解）5、激光偏轉(zhuǎn)技術(shù)5.1 機(jī)械偏轉(zhuǎn)（了解）5.2 電光偏轉(zhuǎn)（了解）5.3 聲光偏轉(zhuǎn)（了解）6、激光調(diào)Q技術(shù)6.1 品質(zhì)因數(shù)Q的概念（領(lǐng)會）6.2 調(diào)Q原理（領(lǐng)會、識記）6.3 電光調(diào)Q、聲光調(diào)Q、染料調(diào)Q（領(lǐng)會）7、激光鎖模技術(shù)7.1 鎖模原理（領(lǐng)會）7.2 主動鎖模和被動鎖模（了解）第五章 典型激光器介紹教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解固體激光器的

15、基本結(jié)構(gòu)，掌握紅寶石激光器、YAG:Nd激光器的特點(diǎn)和機(jī)理，了解固體激光器的泵浦系統(tǒng)和輸出特性，了解半導(dǎo)體激光器泵浦的固體激光器、可調(diào)諧固體激光器和高功率激光器的優(yōu)缺點(diǎn)及原理。2了解氦氖激光器的結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理，了解二氧化碳激光器的結(jié)構(gòu)、激發(fā)機(jī)理和輸出特性，了解氬離子激光器的結(jié)構(gòu)、激發(fā)機(jī)理和工作特性。3了解染料激光器的特點(diǎn)、激發(fā)機(jī)理、調(diào)諧原理和泵浦系統(tǒng)。4了解半導(dǎo)體激光器中的能帶情況和產(chǎn)生受激輻射的條件，掌握PN結(jié)的雙簡并能帶結(jié)構(gòu)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件，掌握半導(dǎo)體激光器的工作原理及閾值條件，了解同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的特性。5了解準(zhǔn)分子激光器、自由電子激光器和化學(xué)激光器的特點(diǎn)、基本原理和輸出特性。

16、教學(xué)時數(shù)：4學(xué)時第一節(jié) 固體激光器一、固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)二、固體激光器的泵浦系統(tǒng)三、固體激光器的輸出特性四、新型固體激光器第二節(jié) 氣體激光器一、氦氖激光器二、二氧化碳激光器三、氬離子激光器第三節(jié) 染料激光器一、染料激光器的激發(fā)機(jī)理二、染料激光器的泵浦三、染料激光器的調(diào)諧第四節(jié) 半導(dǎo)體激光器一、半導(dǎo)體的能帶和產(chǎn)生受激輻射的條件二、PN結(jié)和粒子數(shù)反轉(zhuǎn)三、半導(dǎo)體激光器的工作原理和閾值條件四、同質(zhì)結(jié)和異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器第五節(jié) 其他激光器一、準(zhǔn)分子激光器二、自由電子激光器三、化學(xué)激光器考核要求：1、固體激光器1.1 固體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作物質(zhì)（了解）1.2 紅寶石激光器、Nd:YAG激光

17、器（了解、識記）1.3 泵浦系統(tǒng)、輸出特性（了解）2、氣體激光器2.1 氦氖激光器結(jié)構(gòu)和原理（了解、識記）2.2 二氧化碳激光器結(jié)構(gòu)和原理（了解）2.3 氬離子激光器結(jié)構(gòu)和原理(了解)3、染料激光器（了解）4、半導(dǎo)體激光器4.1 半導(dǎo)體能帶（了解）4.2 PN結(jié)與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（領(lǐng)會）4.3 工作原理和閾值（了解）5、其他激光器（了解）第六章 激光在精密測量中的應(yīng)用教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解激光干涉測長的基本原理、系統(tǒng)組成，了解激光外差干涉測長技術(shù)。2了解激光衍射測量原理、方法及應(yīng)用。3了解激光測距的特點(diǎn)、基本原理，了解激光相位測距原理。4了解激光準(zhǔn)直儀的原理和結(jié)構(gòu)，了解激光多自由度測

18、量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理。5了解激光多普勒測速的原理和應(yīng)用。6了解激光測量角度和角加速度的原理。7了解激光環(huán)境計量的原理和應(yīng)用。教學(xué)時數(shù)：1學(xué)時第一節(jié) 激光干涉測長第二節(jié) 激光衍射測量第三節(jié) 激光測距第四節(jié) 激光準(zhǔn)直及多自由度測量第五節(jié) 激光多普勒測速第六節(jié) 環(huán)形激光測量角度和角加速度考核要求：本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。第七章 激光加工技術(shù)教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解激光熱加工的原理。2了解激光淬火技術(shù)的原理與應(yīng)用，了解激光表面熔凝技術(shù)和熔覆技術(shù)。3了解激光打孔和激光切割的原理與特點(diǎn)。4了解激光焊接的特點(diǎn)，了解激光熱導(dǎo)焊和深熔焊的原理。5了解激光快速成型技術(shù)的原理、優(yōu)點(diǎn)及應(yīng)用，了解激

19、光清洗技術(shù)和激光彎曲技術(shù)。教學(xué)時數(shù)：1學(xué)時第一節(jié) 激光熱加工原理第二節(jié) 激光表面改性技術(shù)第三節(jié) 激光去除材料技術(shù)第四節(jié) 激光焊接第五節(jié) 激光快速成型技術(shù)第六節(jié) 其他激光加工技術(shù)考核要求：本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。第八章 激光在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解生物體的光學(xué)特性，了解激光對生物體的作用和激光在生物體應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)。2了解激光臨床治療的種類與現(xiàn)狀，了解激光在皮膚科及整形外科領(lǐng)域中的應(yīng)用，了解激光在眼科、泌尿外科、耳鼻喉科中的應(yīng)用。3了解利用激光的生物體光譜測量及診斷，了解激光斷層攝影、激光顯微鏡基本原理。4了解醫(yī)用激光設(shè)備（光源、光纖）。5了解醫(yī)用激光新技術(shù)和光動力學(xué)治療的前景。教學(xué)時數(shù)：1學(xué)時第一節(jié) 激光與生物體的相互作用第二節(jié) 激光在臨床治療中的應(yīng)用第三節(jié) 激光在生物體檢測及診斷中的應(yīng)用第四節(jié) 醫(yī)用激光設(shè)備第五節(jié) 激光應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的未來考核要求：本章內(nèi)容僅要求了解，不作考試要求。第九章 激光在信息技術(shù)中的應(yīng)用教學(xué)要點(diǎn)：通過本章的教學(xué)使學(xué)生：1了解光纖通信系統(tǒng)中的激光器需滿足的要求，了解光纖激光器的基本原理、特點(diǎn)、分類和應(yīng)用，了解光放大器的原理、種類等。2了解激光全息術(shù)的基本原理和分類，了解激光全息三維顯示的優(yōu)點(diǎn)、應(yīng)用及展望。3了解