《激光原理與技術(shù)》課程教學(xué)大綱

《激光原理與技術(shù)》教學(xué)大綱一、課程基本信息課程名稱激光原理與技術(shù)LaserPrincipleandTechnology課程編碼SCC622111030開課院部理學(xué)院課程團隊激光原理與技術(shù)學(xué)分2.0課內(nèi)學(xué)時32講授32實驗0上機0實踐0課外學(xué)時32適用專業(yè)光電信息科學(xué)與工程授課語言中文先修課程高等數(shù)學(xué)（2-1）、高等數(shù)學(xué)（2-2）、數(shù)學(xué)物理方法及應(yīng)用、量子力學(xué)、電磁場與電磁波課程簡介（必修）激光原理與技術(shù)是光學(xué)的一個重要分支，主要研究激光形成原理，激光器件的各部件的工作原理，主要的激光技術(shù)的基本原理和實施方法。在現(xiàn)代信息科學(xué)特別是光電信息科學(xué)中占有重要地位。激光的產(chǎn)生具有劃時代的意義，無論在科學(xué)發(fā)展還是技術(shù)應(yīng)用上都有廣闊的應(yīng)用前景。該課程是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)必修的專業(yè)核心課程，對專業(yè)人才的培養(yǎng)具有至關(guān)重要的作用。課程教學(xué)內(nèi)容包括激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)，激光諧振腔與高斯光束，電磁場與物質(zhì)的相互作用，激光振蕩的形成與輸出特性，典型激光器以及激光器特性改進技術(shù)等。課程的教學(xué)目標(biāo)是：通過本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握激光產(chǎn)生和形成的基本原理，培養(yǎng)學(xué)生的理論思維能力，訓(xùn)練學(xué)生分析和解決實際問題的能力；使學(xué)生能較全面地掌握激光器的基本原理和理論，學(xué)會基本激光技術(shù)，為光電材料器件、光電檢測技術(shù)、光通信技術(shù)等后繼課程打下基礎(chǔ)，也為學(xué)生將來成為光電方面的管理、開發(fā)和設(shè)計的高級人才打下必要的專業(yè)理論基礎(chǔ)。PrinciplesandTechnologyofLasersisanimportantbranchofoptics,mainlytostudytheprinciplesoflaserformation,theworkingprincipleofthevariouscomponentsoflaserdevices,themainprinciplesoflasertechnologyandimplementationmethods.Inmoderninformationscience,especiallyoptoelectronicinformationscienceoccupiesanimportantposition.Theemergenceoflaserhasaepoch-makingsignificance,bothinscientificdevelopmentortechnologyapplicationshavebroadapplicationprospects.Thecourseisaprofessionalcorecourseofoptoelectronicinformationscienceandengineering,whichisofvitalimportancetothecultivationofprofessionaltalents.Theteachingcontentsincludethephysicalbasisoflasergeneration,theinteractionbetweenlaserresonatorandGaussianbeam,electromagneticfieldandmatter,theformationandoutputcharacteristicsoflaseroscillation,thetypicallaserandtheimprovementoflasercharacteristics.Theteachingobjectivesofthecourseare:throughthiscourse,makestudentsmasterlaserandformedthebasicprincipleofcultivatingstudents'theoreticalthinkingability,trainingstudents'abilityofanalyzingandsolvingpracticalproblems.toenablestudentstofullymasterthebasicprincipleandtheoryoflaser,learnbasiclasertechnology,laythefoundationforthesubsequentcourseofoptoelectronicmaterialsanddevicesthephotoelectricdetectiontechnology,opticalcommunicationtechnology,butalsoforthestudentstobecomethefuturelayanecessarytheoreticalfoundationfortheprofessionaltalentsofphotoelectricmanagement,designanddevelopment.負(fù)責(zé)人大綱執(zhí)筆人審核人二、課程目標(biāo)序號代號課程目標(biāo)OBE畢業(yè)要求指標(biāo)點任務(wù)自選1M1目標(biāo)1：能夠理解并掌握激光原理與技術(shù)的基本概念和基本原理，例如激光的特性、光和物質(zhì)相互作用規(guī)律、激光的產(chǎn)生條件、光諧振腔理論、高斯光束理論、譜線加寬機制與線型函數(shù)、速率方程理論、激光的增益與振蕩特性等，并能夠運用激光的基本理論和數(shù)學(xué)模型解決與激光器及激光應(yīng)用技術(shù)相關(guān)的復(fù)雜工程問題是1.32M2目標(biāo)2：能夠運用激光的基本原理，通過分析和總結(jié)和相關(guān)文獻等尋求激光產(chǎn)生、激光諧振腔的穩(wěn)定分析、所需光束的獲得、激光輸出的調(diào)控等復(fù)雜工程問題的合理解決方案，并獲得有效的結(jié)論是2.33M3目標(biāo)3：針對激光實際應(yīng)用的復(fù)雜工程問題，能夠根據(jù)實際需求設(shè)計滿足一定激光模式、頻率、光束質(zhì)量等的激光諧振腔，進而構(gòu)建激光系統(tǒng)是3.24M4目標(biāo)4：了解激光及其應(yīng)用領(lǐng)域的國際發(fā)展趨勢、研究熱點，并具有自主學(xué)習(xí)的能力，包括對技術(shù)問題的理解能力，歸納總結(jié)的能力和提出問題的能力等是12.212.2三、課程內(nèi)容序號章節(jié)號標(biāo)題課程內(nèi)容/重難點支撐課程目標(biāo)課內(nèi)學(xué)時教學(xué)方式課外學(xué)時課外環(huán)節(jié)1第0章第0章緒論本章主要介紹激光發(fā)展歷史以及發(fā)展趨勢，激光的基本原理和應(yīng)用。介紹課程要求和考核標(biāo)準(zhǔn)。M1,M41講授1線上學(xué)習(xí)教學(xué)大綱2第1章第1章激光的物理基礎(chǔ)本章的重點和難點：激光的產(chǎn)生條件、激光的模式與狀態(tài)、激光的特征。////31.11.1光波模式和光子態(tài)光波模式，光子態(tài)，光子簡并度；相干性。M10.5講授0.5作業(yè)41.21.2光和物質(zhì)的三種相互作用原子與分子狀態(tài)的描述；自發(fā)輻射，受激輻射，受激吸收；愛因斯坦關(guān)系。M11講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)51.31.3激光的產(chǎn)生集居數(shù)反轉(zhuǎn)；光的受激放大，增益飽和與自激振蕩；閾值與穩(wěn)定條件。M11講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)61.41.4激光的特性激光的方向性、單色性、高亮度、相干性。M10.5講授0.5作業(yè)，線上單元測試7第2章第2章光學(xué)諧振腔與高斯光束（激光光學(xué)）本章的重點和難點：光學(xué)諧振腔的結(jié)構(gòu)、共焦腔的光束特性及基模分布、高斯光束及通過光學(xué)系統(tǒng)時的變換。////82.12.1光腔理論的一般問題諧振腔的結(jié)構(gòu)與分類；激光模式的概念；光腔損耗，光腔損耗的描述。M12講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)92.22.2共軸球面腔的穩(wěn)定條件（ABCD矩陣?yán)碚摚┕饩€傳輸矩陣；光腔穩(wěn)定條件，兩鏡腔的穩(wěn)區(qū)圖。M1,M21講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)102.32.3對稱共焦腔的自再現(xiàn)模開腔模式概念，F(xiàn)ox-Li方法，自再現(xiàn)模本征積分方程；橫模振幅分布特征，幾種典型諧振腔的諧振頻率；高斯光束。M1,M22講授2線上學(xué)習(xí)，作業(yè)112.42.4一般穩(wěn)定腔的高斯光束任何一個共焦腔與無窮多個穩(wěn)定球面腔等價，鏡面上的光斑尺寸，模體積，諧振頻率，衍射損耗，基模遠場發(fā)散角M1,M22講授2線上學(xué)習(xí)，作業(yè)122.52.5高斯光束的傳輸與變換高斯光束的傳播規(guī)律，薄透鏡對高斯光束q參數(shù)的變換；高斯光束的聚焦和準(zhǔn)直。M1,M22講授2線上學(xué)習(xí)，作業(yè)132.62.6諧振腔的圖解分析方法傳播圓方法；兩鏡腔分析方法，多鏡腔分析方法；激光介質(zhì)的熱效應(yīng)。M31講授2研究性學(xué)習(xí)，完成諧振腔設(shè)計，線上單元測試14第3章第3章光與激光工作物質(zhì)的共振相互作用本章的重點和難點：譜線加寬機制、速率方程理論、能級系統(tǒng)、增益系數(shù)與增益飽和。/////153.13.1光和物質(zhì)相互作用的經(jīng)典理論電偶極近似模型，受激吸收和色散現(xiàn)象的麥克斯韋理論。M1,M20講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)163.23.2譜線加寬機制和加寬線型自然加寬、碰撞加寬和晶格振動加寬，多普勒加寬和晶格缺陷加寬，綜合加寬。M1,M22講授2線上學(xué)習(xí)，作業(yè)173.33.3典型激光器速率方程三能級系統(tǒng)與四能級系統(tǒng)；單模速率方程，多模速率方程。M1,M21講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)183.43.4工作物質(zhì)的增益系數(shù)增益系數(shù)的定義，均勻加寬的增益飽和與增益系數(shù)，非均勻加寬工作物質(zhì)的增益系數(shù)。M1,M22講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)19第4章第4章激光振蕩特性本章的重點和難點：激光器振蕩的閾值條件，激光形成過程中的模競爭，激光輸出功率，馳豫振蕩特性及激光放大器。/////204.14.1激光產(chǎn)生的閾值條件閾值反轉(zhuǎn)集聚數(shù)密度；增益與損耗，閾值條件。M1,M21講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)214.24.2激光器的振蕩模式均勻加寬、非均勻加寬激光器的輸出模式、功率等工作特性。M1,M21講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)224.34.3激光器的輸出功率和與能量小信號增益系數(shù)、閾值增益系數(shù)；空間燒孔，蘭姆凹陷。M1,M21講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)234.44.4脈沖激光器工作特性弛豫振蕩，小信號微擾，非穩(wěn)態(tài)速率方程。M1,M21講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)244.54.5激光放大器固體激光放大器，摻鉺光纖放大器，脈沖激光放大器。M2,M41講授2線上學(xué)習(xí)，線上單元測試25第5章第5章激光特性的控制（激光技術(shù)）本章的重點和難點：短脈沖及超短脈沖激光的獲得，激光頻率變換技術(shù)，選模與頻率穩(wěn)定技術(shù)。/////265.15.1模式選擇技術(shù)橫模選擇原理與方法，縱模選擇原理與方法。M2,M31講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)275.25.2穩(wěn)頻技術(shù)影響頻率穩(wěn)定性的因素，蘭姆凹陷法穩(wěn)頻，塞曼效應(yīng)穩(wěn)頻，飽和吸收法穩(wěn)頻。M2,M31講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)285.35.3短脈沖及超短脈沖技術(shù)調(diào)Q原理，電光調(diào)Q，聲光調(diào)Q，可飽和吸收調(diào)Q，透射式調(diào)Q，鎖模原理，鎖模方法。M3,M41講授1線上學(xué)習(xí)，作業(yè)295.45.4激光的非線性頻率變換技術(shù)非線性光學(xué)基本原理，倍頻技術(shù)，參量振蕩技術(shù)。M3,M41講授1線上學(xué)習(xí)，線上單元測試30第6章第6章典型激光器件本章的重點和難點：各種激光器的原理、構(gòu)成和運行特點。/////316.16.1激光器的分類及特點按工作物質(zhì)的不同分類；按工作方式不同的分類。M1,M41講授1線上學(xué)習(xí)326.26.2固體激光器板條激光器，光纖激光器，摻鈦藍寶石激光器，全固態(tài)激光器。M1,M41講授1線上學(xué)習(xí)336.36.3氣體激光器氦－氖激光器，氬離子激光器，二氧化碳激光器，準(zhǔn)分子激光器。M1,M41講授1線上學(xué)習(xí)346.46.4染料激光器共軛雙鍵有機化合物，能級結(jié)構(gòu)，光路圖，可調(diào)諧激光器M1,M40.5講授0.5線上學(xué)習(xí)356.56.5光纖激光器光纖拉曼激光器，摻雜光纖激光器，光纖激光器的腔型、閾值和輸出功率，雙包層光纖激光器，主動鎖模摻鉺光纖激光器M1,M40.5講授0.5線上單元測試四、考核方式序號考核環(huán)節(jié)操作細節(jié)總評占比1平時作業(yè)1.每周布置2-3道題目，平均每次課1道題以上。2.成績采用百分制，根據(jù)作業(yè)完成準(zhǔn)確性、是否按時上交、是否獨立完成評分。3.考核學(xué)生對電力拖動自動控制系統(tǒng)基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力題型主要有作圖、分析和計算題。20%2單元測驗1.本課程6個次單元測驗。2.成績采用百分制，根據(jù)測驗完成情況評分。3.考核學(xué)生對對激光原理與技術(shù)基礎(chǔ)知識的掌握程度。15%3研究性學(xué)習(xí)1.本課程要求利用Matlab等現(xiàn)代仿真工具建立研究對象的模型，設(shè)計出解決復(fù)雜工程問題的激光諧振腔等。2.根據(jù)模型建立情況的準(zhǔn)確性評分。10%4課程論文1.給定論文題目范圍，根據(jù)所學(xué)的激光原理知識，通過查閱參考文獻，給出問題的解決方案。2.根據(jù)論文的完成情況評分。10%5考勤與課堂表現(xiàn)刷卡點名；隨機檢查學(xué)生上課精神狀態(tài)、回答問題情況5%6期末考試1.閉卷考試，成績采用百分制，卷面成績總分100分。2.主要考核學(xué)生對激光原理與技術(shù)基本知識的掌握能力，學(xué)生綜合運用所學(xué)知識分析問題、解決問題的能力，題型主要有簡答題、設(shè)計題、分析題、計算題等。40%五、評分細則序號課程目標(biāo)考核環(huán)節(jié)大致占比評分等級1M1平時作業(yè)20%A-獨立思考、按時完成，解答規(guī)范，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準(zhǔn)確；B-獨立思考、按時完成，解答比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準(zhǔn)確率高；C-獨立思考、按時完成，解答基本規(guī)范，解題思路基本清晰、步驟基本完整、格式基本合理、答案基本準(zhǔn)確；D-作業(yè)抄襲，未能按時完成，解題思路混亂，解答錯誤2M1單元測驗30%利用云課堂在線平臺進行階段測試成績。3M1期末考試50%見試卷評分標(biāo)準(zhǔn)4M2平時作業(yè)10%A-獨立思考、按時完成，解答規(guī)范，解題思路清晰、步驟完整、格式合理、答案準(zhǔn)確；B-獨立思考、按時完成，解答比較規(guī)范，解題思路比較清晰、步驟比較完整、格式合理、答案準(zhǔn)確率高；C-獨立思考、按時完成，解答基本規(guī)范，解題思路基本清晰、步驟基本完整、格式基本合理、答案基本準(zhǔn)確；D-作業(yè)抄襲，未能按時完成，解題思路混亂，解答錯誤5M2單元測驗30%利用云課堂在線平臺進行階段測試成績。6M2課程論文20%A-閱讀文獻9篇以上，找出3種以上的解決方案，并能清晰地描述各方案；不同解決方案對比分析清楚，歸納全面正確，結(jié)論正確；敘述清楚、分析有邏輯性；撰寫符合規(guī)范，分析表述內(nèi)容層次分明，主題明確；B-閱讀文獻5篇以上，找出3種解決方案，并能較清晰地描述各方案；不同解決方案對比分析較清楚，歸納全面，結(jié)論正確；敘述清楚、邏輯性較好；撰寫符合規(guī)范，分析表述內(nèi)容層次較好，主題基本明確；C-閱讀文獻3篇以上，找出2種解決方案，并能較清晰地描述各方案；對不同解決方案進行對比分析，對分析結(jié)果進行歸納總結(jié)；敘述清楚、邏輯性一般；撰寫尚可，分析表述內(nèi)容基本符合要求；D-閱讀文獻3篇以下，沒有找出2種解決方案；沒有對不同的方案進行對比分析，沒有歸納總結(jié)；敘述含糊、邏輯性差；撰寫不合規(guī)范，分析表述內(nèi)容欠清晰。7M2期末考試40%見試卷評分標(biāo)準(zhǔn)8M3課程論文30%A-閱讀文獻9篇以上，找出3種以上的解決方案，并能清晰地描述各方案；不同解決方案對比分析清楚，歸納全面正確，結(jié)論正確；敘述清楚、分析有邏輯性；撰寫符合規(guī)范，分析表述內(nèi)容層次分明，主題明確；B-閱讀文獻5篇以上，找出3種解決方案，并能較清晰地描述各方案；不同解決方案對比分析較清楚，歸納全面，結(jié)論正確；敘述清楚、邏輯性較好；撰寫符合規(guī)范，分析表述內(nèi)容層次較好，主題基本明確；C-閱讀文獻3篇以上，找出2種解決方案，并能較清晰地描述各方案；對不同解決方案進行對比分析，對分析結(jié)果進行歸納總結(jié)；敘述清楚、邏輯性一般；撰寫尚可，分析表述內(nèi)容基本符合要求；D-閱讀文獻3篇以下，沒有找出2種解