激光原理教学大纲
2020074 激光原理(中文)(2011)
天津大学《激光原理》课程教学大纲课程代码：2020074 课程名称：激光原理学时：64 学分： 4授课学院：精仪学院更新时间：2011-6-10适用专业：电子科学与技术（光电子技术）先修课程：电动力学、量子力学、固体物理一、课程的性质与目的本课程属专业基础课，是专业知识体系的基础，是进一步学习专业课程的重要前提。
使学生理解激光产生的基本原理和激光器的一般工作特性，为激光技术等专业课程的学习奠定基础。
二、教学基本要求通过本课程的学习,要求达到:1. 认识光与物质相互作用的基本过程；2. 系统掌握激光谐振腔理论,高斯光束的传输理论；3. 光与物质相互作用的速率方程理论.4. 掌握激光器的一般工作特性.三、教学内容绪论 1学时第一章激光的基本原理 7 学时1. 相干性的光子描述2. 光的受激辐射基本概念3. 光的受激辐射放大4. 光的自激振荡5. 激光的特性第二章开放式光腔与高斯光束 28 学时1. 光腔理论的一般问题2.共轴球面腔的稳定性条件3.开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法4. 平行平面腔模的迭代解法5. 方形镜共焦腔的自再现模6. 方形镜共焦腔的行波场7. 圆形镜共焦腔8. 一般稳定球面腔的模式特征9. 高斯光束的基本性质及特征参数10. 高斯光束q参数的变换规律11. 高斯光束的聚焦和准直12. 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔13. 光束衍射倍率因子14. 非稳腔的几何自再现波型15. 非稳腔的几何放大率及自再现波型的能量损耗第四章电磁场和物质相互作用 16 学时1. 电介质的极化2. 光与物质相互作用的经典理论简介3. 谱线加宽和线型函数4. 典型激光器速率方程5. 均匀加宽工作物质的增益系数6. 非均匀加宽工作物质的增益系数7.综合加宽工作物质的增益系数第五章激光器的工作特性 12 学时1.激光器的振荡阈值2.激光器的振荡模式3.输出功率与能量4.驰豫振荡5. 单模激光器的线宽极限6. 激光器的频率牵引四、学时分配五、评价与考核方式期末成绩占80%，平时成绩占20%六、教材与主要参考资料教材：激光原理, 周炳琨等编著，国防工业出版社,2004年出版参考资料：激光原理，陈钰清、王静环编著，浙江大学出版社，1992年出版。
激光教学大纲
内容与要求： 调Q基本原理：理解调Q激光器的基本思想和原理[2]。 调Q激光器速率方程：理解调Q激光器速率方程的简化条件与简化结果[2]。 调Q激光器的峰值功率：掌握调Q激光器最大光子数密度的计算[1]；掌握调Q激 光器峰值功率的计算[1]。 调Q激光器的时间特性：了解调Q激光器的时间特性[3]。 调Q激光器：了解转镜调Q激光器、声光调Q激光器、电光调Q激光器[3]。 重点：调 Q 激光器最大光子数密度、调 Q 激光器的峰值功率。 难点：调 Q 基本原理、调 Q 激光器速率方程、调 Q 激光器的峰值功率。
本课程教学环节主要包括课堂讲授、作业、考试。 课堂讲授：自制课件、动画，采用多媒体教学。 作业：每章都有适当数量的习题，目的是使学生能熟练掌握基本概念和基本 计算、培养学生分析和解决实际问题的能力。 各章习题数：第一章 6；第二章 9；第三章 6；第四章 9；第五章 4；第七章 7；第八章 7；第九章 2；第十章 2。
8
5
1
6
9
ห้องสมุดไป่ตู้
4
4
10
4
4
复习
2
考试
2
4
合计 46
8
2
56
制定者：俞宽新 审定者：江竹青 批准者：王丽 校对者：何士雅
执笔
教务处 2007 年 2 月 25 日
内容与要求： 光学变化换矩阵：掌握光学变换矩阵的定义、性质和计算[1]；掌握球面镜的光 学变换矩阵[1]。 谐振腔稳定性条件：掌握谐振腔稳定性的条件与判别方法[1]；掌握谐振腔稳定 性的证明[1]。 自再现模积分方程：理解自再现模的概念[2]；理解自再现模积分方程解的物理 意义[2]。 谐振腔衍射理论：了解光学谐振腔的孔阑传输线模型与衍射理论的概念[3]。 重点：光学变换矩阵、谐振腔稳定性条件。 难点：光学变换矩阵、谐振腔稳定性条件、自再现模的积分方程。
《激光原理与技术》课程教学大纲(本科)
激光原理与技术（Principles of Lasers）课程编号：03410033学分：3.5学时：56（其中：讲课学时：56实验学时：上机学时：）先修课程：光学普通物理原子物理适用专业：光电信息科学与工程教材：激光原理；Orazio Svelto； Plenum Publishing Corporation （2010）一、课程的性质与目标（一）课程性质（需说明课程对人才培养方面的贡献）《激光原理与技术》为光电信息科学与工程专业的专业基础课，也可作为信息类专业和其它有关专业本科生、研究生的必修课或选修课。
通过本课程的学习，使学生掌握激光形成基础物理知识，掌握激光器件中各部件的工作原理，掌握基础激光技术的原理和实施方法。
了解主要激光器件和技术的进展。
教给学生自己不断获取新知识的方法，培养学生利用专业知识分析问题和解决实际问题的能力，为后续专业课程及实验实践环节奠定理论基础。
课程目标1：掌握激光器件相关的基础物理知识和专业知识。
能在工程实践中，基于激光器件的目标指标，给出激光器件的基本结构方案、关键结构参数及输入光电参数的设计依据，基本具备典型激光器的基础设计能力；课程目标2：掌握激光器件相关的主要数学模型和物理模型，并能将上述模型用于激光器件设计、研制过程中输出特性、各种物理现象的分析研究和实验验证，具有发现问题、分析问题和解决问题的能力；课程目标3：掌握激光器相关专业英语词汇和专业知识，并能够就激光器相关复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。
课程目标4：掌握典型激光器件的工作特性及发展现状，在此基础上，能够通过文献、媒体等资源跟踪激光器发展趋势和发展前沿。
（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求1、毕业要求2、和毕业要求10：1.毕业要求1-3：具有光电信息科学与工程专业基础知识及其应用能力，并了解光电信息行业的前沿发展现状和趋势；2.毕业要求2-2：能够针对光电信息工程相关的复杂工程问题选择正确、可用的数学模型；3.毕业要求10-4：能够应用外语就光电信息科学与工程复杂工程问题与业界同行及社会公众进行有效沟通和交流。
《激光原理》教学大纲
《激光原理》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介本课程是“光电器件加工”课程模块中的专业核心课程，以培养应用能力突出、能适应工作变化和具有创新素质的学生为目标，在教学内容上，将理论教学与案例教学有机地结合进行知识点讲解，注重培养学生运用基础物理知识分析解决激光相关问题的能力；在教学模式上，采用研讨式的教学模式，注重引导学生对激光技术相关领域的核心问题已有的解决方案进行分析比较，培养学生的问题分析能力。
在培养学生熟练掌握激光器结构、工作原理、调Q技术与锁模技术的基础上，提升学生的综合能力和解决复杂问题的能力，为学生成为新一代技术应用型人才奠定基础。
三、课程目标及对毕业要求（及其指标点）的支撑四、教学内容及进度安排五、课程考核六、教材及参考资料(一)课程教材1.《激光原理及应用》（第3版），陈鹤鸣等编著，电子工业出版社，2017(二)参考教材及网站1.《激光原理》（第7版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2014。
2.《激光原理及应用》（第3版），陈家璧等编著，电子工业出版社，2013。
3.《激光原理及技术》，电子科技大学，刘志军等主讲，中国大学慕课。
编写人：审核人：审批人：审批日期：附件：各类考核与评价标准表（1）考试方式及占比：采用闭卷笔试，考试成绩100分，占课程考核成绩的60%。
（2）评定依据：考试成绩的评定根据试卷参考答案和评分标准进行。
（3）考试题型：可以包含单项选择题、填空题、简答题、计算题和设计题。
（4）考试内容：对学生综合运用激光物理的基本概念、基本原理进行问题分析能力的考核，不仅包括对各章节知识点的独立考核，还需要包括综合考虑多种激光器性能与控制的改善方案，实现技术分析和解决复杂工程问题能力的考核。
激光原理与技术课程教学大纲
《激光原理与技术》课程教学大纲一、《激光原理与技术》课程说明（一）课程代码：08131010（二）课程英文名称：Laser Principles & Technology（三）开课对象：应用物理学专业（四）课程性质：《激光原理与技术》是应用物理学专业的一门主干专业课。
本课程的目的在于介绍激光的基本理论知识和基本技术知识。
（五）教学目的通过激光原理与技术的教学，使学生了解和掌握激光器的基本原理和基本技术，培养学生分析解决激光物理问题的能力，特别强调物理概念的深入理解，为今后从事光电子方向教学和科研打下扎实的理论基础。
（六）教学内容本课程主要包括辐射理论概要与激光产生的条件、激光器的工作原理、激光器的输出特性、激光的基本技术、典型激光器介绍和激光在精密测量、加工、医学、信息技术、科学技术前沿问题中的应用等几个部分。
通过教学的各个环节使学生达到各章中所提的基本要求。
习题课是重要的教学环节，教师必须予以重视。
（七）教学时数教学时数：54学时学分数：3学分（八）教学方式以多媒体教学手段为主要形式的课堂教学。
（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为闭卷考试。
严格考核学生出勤和作业情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40% ，期末成绩占60% 。
二、讲授大纲与各章的基本要求第一章辐射理论概要与激光产生的条件教学要点：通过本章的教学使学生：1 了解光的波粒二象性，掌握光的偏振性、单色光的含义、平面光波的表示法、光强的定义和光子的含义。
2 掌握原子能级和简并度的含义，理解原子状态标记的方法，理解辐射跃迁选择定则，掌握玻尔兹曼分布定律，掌握辐射跃迁也非辐射跃迁的定义和特点。
3 理解黑体辐射的概念和规律，掌握光和物质相互作用时三种基本过程的特点、规律、发生几率，以及三者之间的关系。
掌握自发辐射光功率和受激辐射光功率在普通光源和激光器中的大小关系。
4 掌握光谱线、线型、光谱线宽度的概念，掌握自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽的原因、展宽线型、增宽大小及其影响因素，理解均匀增宽和非均匀增宽的概念和含义，理解综合增宽的含义。
激光原理教学大纲
《激光原理》课程教学大纲课程代码：090631009课程英文名称：PrinciplesofLaser课程总学时：48讲课：48实验：0上机：适用专业：■■■■■■■■■大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的必修主干专业基础课程，主要讲授有关激光的基本知识和基本理论，在光电信息科学与工程专业培养计划中，它起到由专业基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。
本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论的教学外，还通过课程设计培养学生的理论分析及其实际应用能力。
通过本课程的学习，可以使学生：1.掌握激光的概念及产生原理、光学谐振腔理论、速率方程理论、激光器的特性及其控制和改善的原理。
了解激光技术新的发展和应用；2.具有综合运用数学、物理等学科知识对实际与激光有关的问题进行理论分析的能力；3.获得初步的激光器件设计技能，为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1.知识方面的基本要求通过本科程的学习，使学生掌握：激光的概念、特性及产生原理；激光器的构成及工作原理；光学谐振腔与高斯光束知识；光与物质的共振相互作用的速率方程理论；激光的振荡特性、放大特性及其特性的控制和改善知识。
2.能力方面的基本要求通过本科程的学习，培养学生：光学谐振腔分析能力及其初步设计能力；激光器的振荡特性、放大特性的分析能力；激光器特性的控制与改善的初步设计能力。
3.技能方面的基本要求通过本课程的学习，使学生获得：光学谐振腔设计的初步技能；激光器特性的控制与改善的初步的理论设计能力。
（三）实施说明1．教学方法：课堂中要重点突出对基本概念和基本原理的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导学生主动思考，提高学生的自学能力；鼓励学生参与讨论和课堂发言，调动学生学习的积极性；教学中注意理论联系实际，培养学生的工程意识（创新、实践、安全、标准、竞争、法律和管理等意识）和工程能力（思维、自学、研究、操作和创造能力等）。
《激光原理与技术》实验教学大纲
《激光原理与技术》实验教学大纲1.实验目的和背景1.1目的：通过实验，加深对激光原理与技术的理解，掌握激光器的基本原理和构造，学习激光的产生和调制方法，了解激光的光学特性和应用。
1.2背景：激光技术在众多领域中具有广泛的应用，包括通信、医疗、材料加工等。
因此，掌握激光原理与技术，培养学生对激光技术应用的能力，对相关职业发展具有重要意义。
2.实验内容2.1实验一：激光器基本原理和构造2.1.1研究和理解激光器的基本原理，包括受激辐射、能级跃迁等概念。
2.1.2学习激光器的常见构造，如固体激光器、气体激光器和半导体激光器。
2.1.3进行实验操作，掌握激光器的调节和控制。
2.2实验二：激光的产生与调制2.2.1研究和理解激光的产生过程，包括光子的受激辐射、光与物质的相互作用等。
2.2.2学习激光的调制方法，如脉冲调制、频率调制等。
2.2.3进行实验操作，实现对激光的产生和调制。
2.3实验三：激光的光学特性2.3.1研究和理解激光的光学特性，包括单色性、方向性和相干性等。
2.3.2学习激光束的鉴别、聚焦和发散等光学处理过程。
2.3.3进行实验操作，观察和分析激光的光学特性。
2.4实验四：激光的应用2.4.1研究和理解激光的应用领域，包括通信、医疗、材料加工等。
2.4.2学习激光在不同领域中的具体应用案例和方法。
2.4.3进行实验操作，模拟激光在实际应用中的作用和效果。
3.实验设计和步骤3.1实验一：激光器基本原理和构造3.1.1实验目的：研究和理解激光器的基本原理和构造，掌握激光器的调节和控制方法。
3.1.2实验步骤：a.研究激光器的基本原理，了解能级跃迁和受激辐射的过程。
b.学习固体激光器、气体激光器和半导体激光器的构造和工作原理。
c.进行实验操作，调节和控制激光器的输出功率和波长。
3.2实验二：激光的产生与调制3.2.1实验目的：研究和理解激光的产生和调制方法。
3.2.2实验步骤：a.研究激光的产生过程，理解光子的受激辐射和光与物质的相互作用。
激光原理大纲
复试大致重点主要有：0 ）· 基础的爱因斯坦关系、模式谱密度和光子态密度的等价性、光子简并度之类的，会论述；会诠释并赞美激光的单色性、方向性、相干性、高亮度。
1 ）· 谐振腔模型，稳定腔非稳腔的几何光学解（传输矩阵）、波动光学解，把那个自再现原理和复曲率半径q彻底搞清楚，有可能出证明题，我们那年考的是非稳腔的q参数，用ABCD矩阵解自再现方程；肯定会出的题是让你画方形镜、圆形镜TEM03、TEM22光斑这类；像束腰半径、发散角、M2之类的肯定要知道。
2 ）均匀、非均匀加宽的机制；非均匀的给你两束已知方向、频率的单色光光让你画烧孔；空间烧孔、模式竞争的论述必考，问你消除空间烧孔的原理（气体分子跑得快，固体用行波，环形腔加隔离器）；综合加宽不用看。
3 ）搞清几个阈值的概念；会画三、四能级的跃迁示意图、默写那堆速率方程组；了解纵模间隔，已知阈值反转粒子数求多少频率能起振；画图解释有源腔中频率牵引的机理。
4 ）极可能考调Q的详细过程、方式；锁模的原理、方式（主动、被动、同步、自锁模）、效果；出单纵模、单横模光的方法；稳频方法，解释兰姆凹陷。
激光器类型上，了解一下CO2、He-Ne、Ar+ 、固体中的Ti：Sapphire的特点就行了。
LD不用看太细，半导体异质结、量子阱之类的知道有这么档子就行了。
染料和光纤的不考。
关键还是捋清概念，问一答十。
课后题不做都行。
(当年我不仅把每章课后题做光了，还搞来20多套卷子做，清华的、华科的、中科院的、南京理工、长春理工的、中国海洋的……坑爹啊，谁知考的这么简单。
) 补充一下：像烧孔、空间烧孔、模式竞争、多纵模振荡、发射截面、兰姆凹陷等等这么重要的概念还需要我强调吗？第一章：为什么强调爱因斯坦关系？注意：电子学频段中，从LC回路到同轴线到闭腔，都是利用金属中的自由电子变速运动来辐射电磁波的，也就是说，自由电子震荡激发的电磁波造成大量电子同步运动，辐射的相干电磁波本身就是同相位的，根本就没遇到不同步的问题；而光子学频段的辐射是来自原子核外的束缚态电子跃迁（自由电子激光器、同步辐射什么的例外），这种辐射是自发的，很难得到原子间的同步振荡。
激光原理教案第一章
相干体积：如果在空间体积Vc 内各点的光波 场都具有明显的相干性，则Vc 称为相干体积。
Vc Ac Lc Ac c c
激光原理与技术
普通光源发光，是大量独立振子(例如发光原 子)的自发辐射。每个振子发出的光波是由持续 一段时间 t 或在空间占有长度c t 的波列所组 成．如图所示。
单原子发光的光波列和频谱
激光原理与技术
激光器是一种把光强和相干性两者统一起 来的强相干光源。相干光强决定于具有相 干性的光子的数目或同态光子的数目。 光子简并度：处于同一光子态的光子数。
含义：同态光子数、同一模式内的光子数、 处于相干体积内的光子数、处于同一相格内 的光子数
激光原理与技术
§1-2 光的受激辐射基本概念
h 2.m 2 , m0 0 c h h 2 3.P mcn0 n0 n0 k c 2
激光原理与技术
4. 光子具有两种可能的独立偏振状态，对 应于光波 场的两个独立偏振方向。 5. 光子具有自旋，并且自旋量子数为整数。 因此大量光子的集合，服从玻色—爱因斯 坦统计规律。处于同一状态的光子数目是 没有限制的，这是光子与其它服从费米统 计分布的粒子(电子、质子、中子等)的重要 区别。
受激辐射概念是 爱因斯坦首先提出的(1917 年)。在 普朗克 于1900年用辐射量子化假设成 功地解释了黑体辐射分布规律，以及 波尔 在 1913年提出原子中电子运动状态量子化假设的 基础上，爱因斯坦从光量子概念出发，重新推 导了黑体辐射的普朗克公式．并在推导中提出 了两个极为重要的概念：受激辐射和自发辐射。 40年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应 用。
B21 = B12
A21
8 h C
3
《激光原理》课程教学大纲.
《激光原理》课程教学大纲一、课程的任务、性质和作用本课程是应用物理专业的一门重要专业基础理论课，主要讲授激光器的基本原理和理论分析方法，本课程着重阐述基础理论。
本教材分为五部分：（1）概述激光器基本原理（2）讲授开放式光谐振腔理论（3）讲授激光振荡和放大理论，重点放在阐明光和物质相互作用的基本物理过程和主要理论分析方法方面（4）介绍控制器的工作原理及特点。
学完本课程，使学生能较全面地掌握激光器的基本原理和理论，学会基本激光技术，打下一个从事激光工作的较宽广扎实的基础。
一．课程的基本内容及学时分配1．理论讲授2．实验3．教学环节的安排及学时分配4．教材（参考书）（1）周炳琨等，激光原理，国防工业出版社，1995。
（2）邹英华等，激光物理学，北京大学出版社，1991。
（3）伍长征等，激光物理学，复旦大学出版社，1989。
（4）A. yariv，Quantum Electronic，1975纽约版。
（5）A. yariv，Introduction to Optical Electronics（secondedition ） 1976年版。
(6) O.svelto，priciple of Laser，Italy。
（7）[美]W.E.兰姆，激光物理学，科学出版社（中文版），1982。
（8）沈柯，激光原理教程，北京工业学院出版社。
（9）朱为曾，激光物理，国防工业出版社。
（10）激光物理学，上海人民出版社。
三．大纲说明1．本课程各章的重点、难点第一章的重点是光的受激辐射基本概念，对激光的特性应有明确的认识。
第二章的重点是开腔模式的物理概念和衍射理论分析方法，一般稳定球面腔的模式特征，高斯光束的基本性质及特征参数。
第三章的重点是激光器速率方程，这是必须深刻理解、一定掌握的部分。
第四章的重点是激光器的振荡阀值和振荡模式。
第五章的几节都要求掌握。
第六章的重点是半经典理论。
第七章的重点是几种激光器。
第八章的重点是半导体二极管激光器，要了解它的原理、结构和性能。
《激光原理》教学大纲
激光原理课程教学大纲一、课程基本信息课程编号：201411108课程中文名称：激光原理课程英文名称：Principles of Lasers课程性质：专业核心课程开课专业：光电信息科学与工程开课学期：6总学时：56总学分：3.5二、课程目标激光原理是为光信息科学与技术专业本科生开设的一门必修课，它是研究粒子的跃迁以及激光的产生、放大和传输的一门重要的基础课程。
通过本门课程的学习，希望学生能够掌握激光产生的基本原理和激光光学的基本概念及基本理论，为今后从事光电子方向教学和科研打下扎实的理论基础。
培养学生如下的能力和素养：1、熟练掌握光电信息科学与工程专业知识，能对光电信息系统中复杂工程问题的解决方案进行分析，并尝试改进，能够选用恰当的技术，用于光电信息系统的设计、开发，同时解决复杂系统问题；2、具有对光电信息系统问题进行正确的识别与判断、准确描述、评估的能力，并结合专业知识对光电系统进行模块化分解的能力。
三、教学基本要求（含素质教育与创新能力培养的要求）（1）掌握激光的基本特性，对激光在各个领域的应用有明确的认识。
（2）掌握物质的光谱谱线加宽，并能进行评估计算。
（3）理解光与物质相互作用的机理，掌握速率方程理论，具有一定的分析解决激光物理问题的能力。
（4）掌握光腔损耗、光腔稳定性和激光场分布理论，把握高斯光束的特点。
能够根据具体需求完成谐振腔和传输透镜的设计。
（5）理解激光器的振荡特征，了解激光器特性的控制与改善技术。
四、教学内容与学时分配1 激光的基本原理（10学时）1.1 相干的光子描述1.2 光的受激辐射基本概念1.3 光的受激辐射放大1.4 光的自激振荡1.5 激光的特性1.6 激光器简介2 辐射场与物质的相互作用（14学时）2.1 光和物质相互作用的经典理论简介2.2 谱线的加宽和线型函数2.3 典型激光器的速率方程2.4 均匀加宽工作物质的增益系数2.5 非均匀加宽工作物质的增益系数3 光学谐振腔与高斯光束（16学时）3.1 光腔理论的一般问题3.2 共轴球面腔的稳定性条件3.3 开腔模式的物理概念和衍射理论的分析方法3.4 平行平面腔模的迭代解法3.5 方形镜共焦腔的自再现模3.6 方形镜共焦腔的行波场3.7 圆形镜共焦腔3.8 一般稳定球面腔的模式特征3.9 高斯光束的基本性质和特征参数3.10 高斯光束q参数的变换规律3.11 高斯光束的聚焦和准直3.12 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔3.13 光束衍射倍率因子3.14 非稳腔的几何自再现波型4 激光振荡特性(8学时)4.1 激光器的振荡阈值4.2 激光器的振荡模式4.3 输出功率与能量4.4 弛豫振荡4.5 单模激光器的线宽极限4.6 激光器的频率牵引5 激光器特性的控制与改善(4学时)5.1 模式选择5.2 频率稳定5.3 Q调制5.4 注入锁定与锁模6 激光器的种类与应用(4学时)6.1 典型激光器6.2 激光器的工程应用五、教学方法及手段（含现代化教学手段及研究性教学方法）课堂教学以教师讲授为主，采用多媒体课件对重要知识点进行详细讲授。
激光原理与技术CDIO教学大纲
激光原理与技术课程教学大纲一、课程代码与名称课程代码：计划上未给出中文名称：激光原理与技术英文名称：Laser Principles and Technology二、课程概述及相关课程关系《激光原理与技术》是为电子科学与技术专业、光信息科学与技术本科专业开设的核心必修专业方向课程（这里未管材料物理的选修课）。
该课程理论性、应用性、工程背景和实践性都很强，在光电子和光信息科学与技术领域占有重要地位。
本课程主要讲授激光产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术。
内容上涉及激光特性描述、开放式光腔及其激光模式分析、光和物质共振相互作用、谱线加宽与线型函数、典型激光器的速率方程、激光的振荡特性、激光的放大特性、典型激光技术的原理和种类等。
通过本课程的学习，通过本课程的学习，使学生掌握激光产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术，在培养学生的理论思维能力的同时，训练学生分析和解决实际问题的能力。
为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下必要的专业理论基础。
相关课程及项目关系：（从左到右为时间顺序、从上到下为开课时序）三、课程教学对象与教学目的适用专业：电子科学与技术、光信息信息科学与技术、材料物理学等本科专业。
教学目的：通过本课程的学习，使学生掌握激光与激光技术中的基本概念、基本原理和分析方法；掌握稳定式和非稳定式开放光腔与其输出激光模式的关系；掌握和理解工作物质加宽机制与激光振荡模式及输出特性的关系；掌握改善可控制激光输出特性的典型激光技术如放大、选模、稳频、调Q、锁模等的基本原理、方法和种类。
使学生了解激光原理与技术在工农业生产、科研、国防、医学等领域的广泛应用，初步树立激光器件设计的工程意识。
提高学生分析、解决光电领域中诸如管理与维护、开发与设计等问题的能力，培养学生思考问题的逻辑性、灵活性与广阔性，为学生将来成为光电方面的管理、开发和设计的高级人才打下坚实的专业理论基础。
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《激光原理》课程教学大纲课程代码：090631009课程英文名称：Principles of Laser课程总学时：48 讲课：48 实验：0 上机：适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的必修主干专业基础课程，主要讲授有关激光的基本知识和基本理论，在光电信息科学与工程专业培养计划中，它起到由专业基础理论课向专业课过渡的承上启下的作用。
本课程在教学内容方面除基本知识、基本理论的教学外，还通过课程设计培养学生的理论分析及其实际应用能力。
通过本课程的学习，可以使学生：1. 掌握激光的概念及产生原理、光学谐振腔理论、速率方程理论、激光器的特性及其控制和改善的原理。
了解激光技术新的发展和应用；2. 具有综合运用数学、物理等学科知识对实际与激光有关的问题进行理论分析的能力；3. 获得初步的激光器件设计技能，为后续课程的学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定重要的基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1. 知识方面的基本要求通过本科程的学习，使学生掌握：激光的概念、特性及产生原理；激光器的构成及工作原理；光学谐振腔与高斯光束知识；光与物质的共振相互作用的速率方程理论；激光的振荡特性、放大特性及其特性的控制和改善知识。
2. 能力方面的基本要求通过本科程的学习，培养学生：光学谐振腔分析能力及其初步设计能力；激光器的振荡特性、放大特性的分析能力；激光器特性的控制与改善的初步设计能力。
3. 技能方面的基本要求通过本课程的学习，使学生获得：光学谐振腔设计的初步技能；激光器特性的控制与改善的初步的理论设计能力。
（三）实施说明1．教学方法：课堂中要重点突出对基本概念和基本原理的讲解；采用启发式教学，培养学生思考问题、分析问题和解决问题的能力；引导学生主动思考，提高学生的自学能力；鼓励学生参与讨论和课堂发言，调动学生学习的积极性；教学中注意理论联系实际，培养学生的工程意识（创新、实践、安全、标准、竞争、法律和管理等意识）和工程能力（思维、自学、研究、操作和创造能力等）。
2．教学手段：本课程属于专业基础课，在教学中采用电子教案和多媒体教学系统等先进教学手段，以确保在有限的学时内，全面、高质量地完成课程教学任务。
本教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而制定的,在执行本大纲时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。
重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。
（四）对先修课的要求本课的先修课程：基础物理学、数学物理方法、应用光学、物理光学、量子力学。
（五）对习题课、实践环节的要求1．课程内容较多，学时较少，原则上课堂上没有习题课时间，采用课间和课后答疑，课后督促的方式，使学生独立、按时完成课外习题和作业，根据作业的完成质量作为课程总成绩中的一部分。
2．课后作业要少而精，内容要多样化，作业题内容必须包括基本概念、基本理论及理论计算方面的内容，作业要能起到巩固理论，掌握计算方法和技巧，提高分析问题、解决问题能力，对作业中的重点、难点，课上应做必要的提示。
3．本课程的课程设计单独设课，单独考核，具体要求参见相应的课程设计教学大纲。
（六）课程考核方式1.考核方式：考试。
以闭卷笔试考试成绩为主，参考完成课后作业和上课出勤情况综合评定该课程的总成绩。
2.考核目标：定量评定出学生的学习成绩，督促学生学习；检验教学效果，总结教学经验。
3.成绩构成：试卷成绩×80% + 作业成绩×10% + 出勤成绩×10%。
（七）参考书目《激光原理》.第七版，周炳琨编著.北京：国防工业出版社，2016《激光光学》.第三版，吕百达编．北京：高等教育出版社，2003二、中文摘要本课程是光电信息科学与工程专业的主干必修专业基础课，内容有激光的概念、光学谐振腔、高斯光束、速率方程、激光振荡、激光放大理论及激光特性控制与改善方法等。
学习该课程后可以掌握激光的基本知识、原理和一般问题的理论分析方法，并具有设计简单激光器件的能力，为后续课学习以及相关课程设计、毕业设计等奠定基础。
三、课程学时分配表四、教学内容及基本要求第1部分激光的基本概念总学时:4 讲课:4 实验:0 上机:0第1.1部分光的受激辐射及光放大（讲课2学时）具体内容：1) 了解激光应用；2) 理解受激辐射、光放大；3) 掌握辐射模型。
第1.2部分激光的特性及自激振荡（讲课2学时）具体内容：1) 了解激光特性；2) 理解粒子数反转；3) 掌握激光产生的必要、充分条件。
重点:辐射模型、粒子数反转、激光产生的必要、充分条件。
难点:激光产生的必要、充分条件。
习题:第1部分全部习题1 – 9题，独立完成。
第2部分开放式光学谐振腔与高斯光束总学时:12 讲课:12 实验:0 上机:0第2.1部分共轴球面腔的稳定条件（讲课2学时）具体内容：1) 了解矩阵光学；2) 理解谐振腔作用；3) 掌握共轴球面腔的稳定条件。
第2.2部分衍射积分方程及其迭代解法（讲课2学时）具体内容：1) 了解谐振腔分析方法；2) 理解菲涅尔–基尔霍夫衍射积分；3) 掌握平行平面腔迭代解法。
第2.3部分共焦腔的自再现模及行波场（讲课2学时）具体内容：1) 了解方形镜共焦腔自再现模求解过程；2) 理解方形镜共焦腔的模式特征；3) 掌握方形镜共焦腔的行波场。
第2.4部分一般稳定球面腔的模式特征（讲课2学时）具体内容：1) 了解稳定球面腔的模式特征；2) 理解等价共焦腔；3) 掌握一般稳定球面腔的等价共焦腔求解方法。
第2.5部分高斯光束及其变换规律（讲课2学时）具体内容：1) 了解高阶高斯光束；2) 理解q参数；3) 掌握高斯光束及其变换规律。
第2.6部分非稳腔及其几何自再现波型（讲课2学时）具体内容：1) 了解非稳腔类型；2) 理解几何自再现波型；3) 掌握非稳腔能量损耗分析方法。
重点:等价共焦腔的行波场、一般稳定球面腔的分析方法、高斯光束及其变换规律、非稳腔及其几何自再现波型难点:一般稳定球面腔求解、自再现高斯光束习题:第2部分习题数量8 – 9题，由浅入深，涵盖重点内容。
第3部分光和物质的相互作用总学时:12 讲课:12 实验:0 上机:0第3.1部分光谱线的加宽及线型函数（讲课2学时）具体内容：1) 了解光谱线的加宽类型；2) 理解光谱线的加宽物理机制；3) 掌握线型函数。
第3.2部分均匀加宽与非均匀加宽（讲课2学时）具体内容：1) 了解非均匀加宽；2) 理解均匀加宽与非均匀加宽区别；3) 掌握均匀加宽线型函数。
第3.3部分原子与光场的相互作用（讲课2学时）具体内容：1) 了解光与物质相互作用基本理论；2) 理解光与物质的共振相互作用；3) 掌握发射截面与受激辐射关系。
第3.4部分典型激光器速率方程（讲课2学时）具体内容：1) 了解三、四能级系统激光器工作过程；2) 理解速率方程物理意义；3) 掌握速率方程组稳态求解方法。
第3.5部分均匀加宽工作物质增益系数（讲课2学时）具体内容：1) 了解饱和光强求解过程；2) 理解均匀加宽工作物质反转粒子数饱和原理；3) 掌握均匀加宽工作物质增益系数饱的分析方法。
第3.6部分非均匀加宽工作物质增益系数（讲课2学时）具体内容：1) 了解非均匀加宽工作物质反转粒子数数饱和概念；2) 理解非均匀加宽工作物质增益系数局部饱和原理；3) 掌握非均匀加宽工作物质局部饱和的定性分析方法。
重点:激光器速率方程、均匀加宽工作物质增益系数。
难点:非均匀加宽工作物质反转粒子数局部饱和。
习题:第3部分（教材第四章）习题数量8 – 9题，由浅入深，涵盖重点内容。
第4部分激光振荡理论总学时:7 讲课:7 实验:0 上机:0第4.1部分激光振荡的阈值（讲课2学时）具体内容：1) 了解激光振荡概念；2) 理解反转粒子数阈值推导；3) 掌握三、四能级激光器泵浦阈值计算方法。
第4.2部分激光振荡的模式（讲课2学时）具体内容：1) 了解非均匀加宽激光器模式竞争；2) 理解均匀加宽激光器空间烧孔；3) 掌握均匀加宽激光器模式竞争原理。
第4.3部分激光输出功率与能量（讲课3学时）具体内容：1) 了解非均匀加宽连续激光器输出原理；2) 理解连续激光器输出原理；3) 掌握激光器输出功率与能量计算方法。
重点:反转粒子数密度阈值、泵浦阈值、激光器输出难点:非均匀加宽连续激光器输出习题:第4部分（教材第五章）习题数量4 – 5题，由浅入深，涵盖综合内容。
第5部分激光放大特性总学时:7 讲课:7 实验:0 上机:0第5.1部分激光放大器分类及无损放大器（讲课2学时）具体内容：1) 了解激光放大器分类；2) 理解最大输出光强条件；3) 掌握无损放大器增益推导。
第5.2部分连续激光放大器增益放大特性（讲课2学时）具体内容：1) 了解增益谱宽；2) 理解连续激光放大器增益放大特性；3) 掌握增益计算方法。
第5.3部分脉冲激光放大器增益放大特性（讲课3学时）具体内容：1) 了解输运方程建立方法；2) 理解输运方程意义；3) 掌握输出能量饱和原理。
重点:增益概念、增益求解方法难点:脉冲激光放大器输运方程习题:第5部分（教材第六章）习题数量4 – 5题，由浅入深，涵盖综合内容。
第6部分激光特性控制与改善总学时:4 讲课:4 实验:0 上机:0第6.1部分激光模式选择（讲课2学时）具体内容：1) 了解激光模式选择技术；2) 理解激光模式选择原理；3) 掌握常见模式选择方法。
第6.2部分激光器调Q与锁模（讲课2学时）具体内容：1) 了解激光器调Q与锁模技术；2) 理解激光器调Q与锁模原理；3) 掌握速率方程调Q理论。
重点:激光模式选择原理、调Q与锁模原理难点:速率方程调Q理论习题:第6部分（教材第七章）习题数量4道题，注意题目的综合性。
期末总结总学时:2 讲课:2 实验:0 上机:0。