激光原理與技術(shù)CDIO教學(xué)大綱

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上激光原理與技術(shù)課程教學(xué)大綱一、課程代碼與名稱課程代碼：計(jì)劃上未給出中文名稱：激光原理與技術(shù)英文名稱：Laser Principles and Technology二、課程概述及相關(guān)課程關(guān)系激光原理與技術(shù)是為電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)、光信息科學(xué)與技術(shù)本科專業(yè)開(kāi)設(shè)的核心必修專業(yè)方向課程（這里未管材料物理的選修課）。該課程理論性、應(yīng)用性、工程背景和實(shí)踐性都很強(qiáng)，在光電子和光信息科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域占有重要地位。本課程主要講授激光產(chǎn)生和形成的基本原理以及控制和改善激光特性的典型激光技術(shù)。內(nèi)容上涉及激光特性描述、開(kāi)放式光腔及其激光模式分析、光和物質(zhì)共振相互作用、譜線加寬與線型函數(shù)、典型激光

2、器的速率方程、激光的振蕩特性、激光的放大特性、典型激光技術(shù)的原理和種類等。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光產(chǎn)生和形成的基本原理以及控制和改善激光特性的典型激光技術(shù)，在培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力的同時(shí)，訓(xùn)練學(xué)生分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。為學(xué)生將來(lái)成為光電方面的管理、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的高級(jí)人才打下必要的專業(yè)理論基礎(chǔ)。相關(guān)課程及項(xiàng)目關(guān)系：（從左到右為時(shí)間順序、從上到下為開(kāi)課時(shí)序）三、課程教學(xué)對(duì)象與教學(xué)目的適用專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)、光信息信息科學(xué)與技術(shù)、材料物理學(xué)等本科專業(yè)。教學(xué)目的：通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光與激光技術(shù)中的基本概念、基本原理和分析方法；掌握穩(wěn)定式和非穩(wěn)定式開(kāi)放光腔與其輸

3、出激光模式的關(guān)系；掌握和理解工作物質(zhì)加寬機(jī)制與激光振蕩模式及輸出特性的關(guān)系；掌握改善可控制激光輸出特性的典型激光技術(shù)如放大、選模、穩(wěn)頻、調(diào)Q、鎖模等的基本原理、方法和種類。使學(xué)生了解激光原理與技術(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科研、國(guó)防、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，初步樹(shù)立激光器件設(shè)計(jì)的工程意識(shí)。提高學(xué)生分析、解決光電領(lǐng)域中諸如管理與維護(hù)、開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)等問(wèn)題的能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問(wèn)題的邏輯性、靈活性與廣闊性，為學(xué)生將來(lái)成為光電方面的管理、開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)的高級(jí)人才打下堅(jiān)實(shí)的專業(yè)理論基礎(chǔ)。本課程具體完成培養(yǎng)方案中以下指標(biāo)，重點(diǎn)完成指標(biāo)1.1、1.2、2.1、2.2。一級(jí)指標(biāo)二級(jí)指標(biāo)達(dá)標(biāo)要求1 技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí)1.1 運(yùn)用基本學(xué)科知

4、識(shí)能力AB1.2 應(yīng)用核心工程基礎(chǔ)知識(shí)和原理ABC2 個(gè)人能力和專業(yè)能力2.1 工程推理及解決問(wèn)題能力BC2.2掌握工程實(shí)踐所需的個(gè)人能力BCD2.3掌握工程實(shí)踐所需的職業(yè)能力AC3 人際交往能力、團(tuán)隊(duì)工作和交流3.1 團(tuán)隊(duì)合作能力C3.2 人際交流能力B4 在社會(huì)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行系統(tǒng)的能力4.1外部和社會(huì)背景環(huán)境AD4.2企業(yè)與商業(yè)環(huán)境D4.3系統(tǒng)的構(gòu)思與工程化D*注：該表所列指標(biāo)可對(duì)照培養(yǎng)方案中所列指標(biāo)來(lái)解釋。A：認(rèn)知，指從教、學(xué)活動(dòng)中、從生活經(jīng)驗(yàn)和社會(huì)經(jīng)驗(yàn)等多種信息渠道獲得知識(shí)，側(cè)重知識(shí)的獲取，沒(méi)有實(shí)訓(xùn)要求。B：訓(xùn)練，指教、學(xué)活動(dòng)中由教師引導(dǎo)開(kāi)展的基礎(chǔ)測(cè)試或練習(xí)，匹配有課程討

5、論、課后研討等環(huán)節(jié)。C：實(shí)踐，指以學(xué)生為主導(dǎo)，通過(guò)實(shí)練而形成的對(duì)完成某種任務(wù)所必須的活動(dòng)方式，匹配有課程的三級(jí)項(xiàng)目或其它實(shí)踐環(huán)節(jié)。D：探索，指學(xué)生獨(dú)立探尋問(wèn)題、摸索、解答的活動(dòng)，不設(shè)置專門(mén)的考核。（留空表示無(wú)該項(xiàng)要求） 四、課程內(nèi)容、學(xué)時(shí)分配及主要的教學(xué)方法總學(xué)時(shí)：64學(xué)時(shí)，其中理論60學(xué)時(shí)、實(shí)踐環(huán)節(jié)4學(xué)時(shí)， 總學(xué)分：4學(xué)分。章節(jié)序號(hào)章節(jié)名稱重點(diǎn)、難點(diǎn)內(nèi)容提要學(xué)時(shí)其他說(shuō)明1激光的基本原理重點(diǎn)掌握光子簡(jiǎn)并度、集居數(shù)反轉(zhuǎn)的概念；光和物質(zhì)的三個(gè)共振相互過(guò)程的名稱和特點(diǎn)；激光的特性；理解光相干性的描述方法、激光產(chǎn)生的基本思想。難點(diǎn)：光相干性的描述方法擴(kuò)展介紹激光在多個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。4講授為主，同時(shí)輔以動(dòng)

6、畫(huà)演示光和物質(zhì)三個(gè)共振相互作用，網(wǎng)上收集激光應(yīng)用的視頻激發(fā)學(xué)生興趣。并結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明對(duì)激光特性的要求。1-0緒論1-1相干性的光子描述1-2光與物質(zhì)的三個(gè)共振相互作用過(guò)程1-3光的受激輻射放大1-4光的自激振蕩與激光的特性2開(kāi)放式光腔與高斯光束重點(diǎn)掌握光腔的損耗的種類和描述；橫模、縱模的概念；對(duì)稱共焦腔與一般穩(wěn)定球面腔的等價(jià)關(guān)系及模式特點(diǎn)；高斯光束的基本性質(zhì)和參數(shù)概念；非穩(wěn)腔基模的幾何光學(xué)處理方法和幾何自再現(xiàn)波型。深刻理解：開(kāi)放式光腔自再現(xiàn)模的形成與衍射積分理論；高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔的關(guān)系；高斯光束的q參數(shù)變換、聚焦和準(zhǔn)直。難點(diǎn)：穩(wěn)定腔模式的衍射積分理論分析法。擴(kuò)展數(shù)值迭代法在激

7、光腔模式確定中的應(yīng)用，擴(kuò)展光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)和對(duì)實(shí)際應(yīng)用的影響。20講授為主，同時(shí)在某些小節(jié)可以采取學(xué)生自學(xué)后充當(dāng)小教師的方法，并與課堂討論、教師總結(jié)相結(jié)合。結(jié)合工程實(shí)例介紹穩(wěn)定腔和非穩(wěn)腔的分析和設(shè)計(jì)方法。2-1光腔分類、損耗及腔與模的關(guān)系2-2共軸球面腔的穩(wěn)定性條件2-3開(kāi)腔模式的物理概念和衍射理論分析方法2-4平行平面腔模的迭代解法2-5方形和圓形鏡對(duì)稱共焦腔的自再現(xiàn)模與行波場(chǎng)特征2-6一股穩(wěn)定球面腔與對(duì)稱共焦腔的等價(jià)關(guān)系及模式特征2-7高斯光束的基本性質(zhì)、特征參數(shù)及q參數(shù)的變換規(guī)律2-8高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直2-9高斯光束的自再現(xiàn)變換與穩(wěn)定球面腔2-10光束衍射倍率因子2-11非穩(wěn)腔的幾何自再

8、現(xiàn)波型2-12非穩(wěn)腔的幾何放大率及自再現(xiàn)波型的能量損耗4電磁場(chǎng)和物質(zhì)的共振相互作用重點(diǎn)掌握譜線均勻加寬和非均勻加寬的物理含義、種類以及相應(yīng)的線型函數(shù)；單模情況下典型激光器的速率方程組。理解：均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)及增益飽和特點(diǎn)。難點(diǎn)：光學(xué)多普勒效應(yīng)及多普勒加寬；增益飽和的實(shí)質(zhì)、表現(xiàn)及數(shù)學(xué)處理；燒孔效應(yīng)的形成過(guò)程。11講授為主，課堂提問(wèn)和討論為輔。4-1光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論簡(jiǎn)介4-2譜線加寬和線型函數(shù)4-3典型激光器的速率方程4-4均勻加寬和非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)5激光振蕩特性重點(diǎn)掌握激光器閾值、模式競(jìng)爭(zhēng)、蘭姆凹陷的基本概念；理解：均勻加寬和非均勻加寬激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)

9、特點(diǎn)；影響均勻加寬和非均勻加寬單模激光器的輸出功率和能量的因素。了解：弛豫振蕩、頻率牽引的概念；單模激光器線寬極限產(chǎn)生的原因。6講授為主，結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明激光器多模振蕩形成的原因。5-1激光器的振蕩閾值5-2激光器的振蕩模式5-3輸出功率與能量5-4弛豫振蕩5-5單模激光器線寬極限產(chǎn)生的原因5-6激光器的頻率牽引6激光放大特性重點(diǎn)掌握幾種特殊情況下脈沖激光放大器的輸出能量和增益特點(diǎn)；理解均勻激勵(lì)和縱向光激勵(lì)的連續(xù)激光放大器的增益特性；了解放大自發(fā)輻射的概念、用途以及對(duì)光放大器的危害。擴(kuò)展：要求學(xué)生調(diào)研目前重要的激光放大器種類、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及目前的發(fā)展和應(yīng)用情況。6講授為主，同時(shí)輔以學(xué)生課后

10、調(diào)研。6-1激光放大器的分類6-2均勻激勵(lì)和縱向光激勵(lì)連續(xù)激光放大器的增益特性6-3脈沖激光放大器的增益特性6-4放大的自發(fā)輻射和光放大器的噪聲7激光器特性的控制與改善掌握調(diào)Q、穩(wěn)頻、鎖模、選模的目的、基本概念、基本原理和典型的實(shí)現(xiàn)方法。擴(kuò)展：要求學(xué)生調(diào)研新型的激光技術(shù)及其原理和發(fā)展應(yīng)用情況。13講授為主，結(jié)合工程實(shí)例介紹選模、穩(wěn)頻、調(diào)Q和鎖模的原理，再輔以學(xué)生課后調(diào)研。7-1模式選擇7-2頻率穩(wěn)定7-3Q調(diào)制7-4鎖模五、實(shí)踐環(huán)節(jié)的要求通過(guò)讓學(xué)生進(jìn)行課后相關(guān)知識(shí)或激光前沿動(dòng)向的調(diào)研、激光器生產(chǎn)和需求的市場(chǎng)調(diào)研、小論文撰寫(xiě)、數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)等實(shí)踐環(huán)節(jié)，使學(xué)生消化、鞏固和加深對(duì)課堂所講授理論知識(shí)的理

11、解，促使學(xué)生自己動(dòng)手動(dòng)腦去主動(dòng)探索和掌握激光產(chǎn)生和形成及激光技術(shù)的基本理論和基本分析方法，同時(shí)提高學(xué)生的實(shí)際操作技能和學(xué)習(xí)興趣，使學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)和探索的優(yōu)良習(xí)慣，增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，培養(yǎng)其工程意識(shí)和創(chuàng)新精神。項(xiàng)目序號(hào)項(xiàng)目名稱內(nèi) 容 提 要項(xiàng)目學(xué)時(shí)實(shí)踐形式項(xiàng)目類型每組人數(shù)項(xiàng)目性質(zhì)其他說(shuō)明1諧振腔模式的Matlab實(shí)現(xiàn)利用Fox-Li數(shù)值迭代法或其它數(shù)值方法，利用Matlab編程確定一維或二維諧振腔的自在現(xiàn)模。要求提交數(shù)值仿真的題目和目的說(shuō)明、程序代碼、模擬圖形及結(jié)果分析總結(jié)。2上機(jī)驗(yàn)證11到3中必須完成1個(gè)由教師指定大方向后，學(xué)生自己操作完成2激光放大器輸出特性的Matlab數(shù)值仿真利

12、用Matlab編程數(shù)值模擬某種連續(xù)或脈沖放大器的輸出特性。要求提交數(shù)值仿真的題目和目的說(shuō)明、程序代碼、模擬圖形及結(jié)果分析總結(jié)。2上機(jī)驗(yàn)證13對(duì)某個(gè)激光器件和技術(shù)問(wèn)題的Matlab計(jì)算模擬對(duì)激光器件和技術(shù)中某個(gè)問(wèn)題利用Matlab編程進(jìn)行計(jì)算模擬。要求提交計(jì)算模擬的題目和目的說(shuō)明、程序代碼、模擬圖形及結(jié)果分析總結(jié)。2上機(jī)探索14激光器生產(chǎn)和需求的市場(chǎng)調(diào)研對(duì)國(guó)外或國(guó)內(nèi)對(duì)激光器的需求以及生產(chǎn)激光器的某個(gè)或某幾個(gè)公司或企業(yè)廠家進(jìn)行網(wǎng)上或?qū)嵉兀ㄓ袟l件者）調(diào)研。要求提交詳細(xì)的調(diào)研報(bào)告。2調(diào)研調(diào)研報(bào)告14到7中必須完成1個(gè)5激光知識(shí)的前沿動(dòng)向調(diào)研就激光理論與技術(shù)目前的某個(gè)前沿進(jìn)行調(diào)研。要求提交一篇2000字

13、以上的小論文。有題目、中文摘要300字、正文、參考文獻(xiàn)。2調(diào)研小論文16新型激光器調(diào)研調(diào)研某種新型激光器，就其原理、優(yōu)勢(shì)及發(fā)展和應(yīng)用情況進(jìn)行闡述。要求提交一篇2000字以上的小論文。有題目、中文摘要300字、正文、參考文獻(xiàn)。2調(diào)研小論文17新型激光放大器調(diào)研調(diào)研目前重要的新型激光放大器種類、工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及目前的發(fā)展和應(yīng)用情況。要求提交一篇2000字以上的小論文。有題目、中文摘要300字、正文、參考文獻(xiàn)。2調(diào)研小論文1六、學(xué)業(yè)考核1平時(shí)學(xué)業(yè)考核：考核范圍包括出勤情況和紀(jì)律表現(xiàn)、綜合訓(xùn)練情況（例如：小教師、討論、辯論、課堂提問(wèn)等）、作業(yè)完成情況等方面，各項(xiàng)成績(jī)比例約為1：2：1。2實(shí)踐環(huán)節(jié)考核：考核范圍包括實(shí)踐報(bào)告或小論文撰寫(xiě)的規(guī)范性、科學(xué)性、創(chuàng)新與提高等方面。各項(xiàng)成績(jī)比例約為1：2：2。3課程綜合考核：最終考核方式采用閉卷考試，內(nèi)