第一篇：關于激光原理與技術課程教學的幾點思考

關于激光原理與技術課程教學的幾點思考

馬嘉賽

（中國礦業大學理學院

江蘇徐州 221116）

摘要：激光原理與技術課程教學中所用教學方法尤為重要，本文從實際生產生活應用與激光原理與技術之間、教學內容與學生學習思維方式之間的滲透及關聯，以及教學手段對學生的影響幾個方面來闡述如何在激光原理與技術教學中進行科學性教學。

關鍵詞：漸入滲透式教學

激光原理與技術

我們的前輩們總結出許多良好的學習方法。一個是按部就班漸進式學習的方法；另外一個是滲透式方法。按部就班地學習方法很簡單，就是由一而二，由二而三，在前面的基礎上學習新的東西。而滲透式方法是指一開始處于不懂的狀態，但經過了一個長期的接觸，經過時間推移不知不覺逐漸就已懂了，并學到了許多東西。這兩種方法各有特色，對于我們的課程，可以采用這兩種方法的結合。我們通過學習的最終目的就是吸收消化更多知識，掌握更多原理、本質及方法，將整個學習過程構筑成一個整體。

激光原理與技術課程是一門傳統的大學物理類或光學工程類專業課程，也是不少信息類工科學科的必修科目之一。對這門物理/光學專業的必修課，隨著教育改革的不斷深化，拓寬學生的知識面與積極性也逐步變成教改工作的重要內容之一。一方面，在課堂上要鞏固和深化學生所學到的激光理論的基礎知識，為后續課程的學習提供必要的理論基礎和依據；另一方面，在課堂之外的實際應用中，要訓練和培養學生運用激光原理的知識來解決實際問題的能力，并在解決實際問題的過程中，凸顯創新能力。對于過去那種按部就班填鴨式的教學方式，已經因為其明顯弊端而必須淘汰。本文將從如下幾方面探討如何在激光原理與技術的教學中運用良好的教學方法。

1現實生活中的應用及激光原理與技術課程之間的聯系 激光原理與技術這門課程研究的對象是激光產生的原理、激光的各種特性、激光器的構建以及激光調制技術。在課程學習中，大量的物理公式的推導不可避免，但純粹的推導往往令人厭煩，使學生在學習中感到痛苦不堪。因此在授課過程中，若插入現實生活中的例子以及科技前沿的內容，就顯得趣味橫生，極大激發起學生的學習興趣。譬如在講“激光器的應用”一部分內容時，將激光在現實中的實際應用聯系起來，舉個例子，用于醫學的激光美容整形，立刻就凸顯出激光在生產生活中的重要作用。現代人的生活講求實效，一個專業或學科能有多大的作為，很大程度上取決于它在實際生產生活中帶來的功效。譬如在講“光線傳播的矩陣表示”時可以引入蝴蝶效應來講解，既講明了一步步相互推遞的關聯依賴性，又提高了學生的興趣。另外，在講解激光產生的原理部分時，適當插入一些激光產生的背景知識內容，使學生對一些問題的來龍去脈有更清晰的了解，更能夠啟發學生的發散性思維。教學過程與學習方法的關聯

本門課程中既有廣泛深入的激光物理知識，又有大量的公式及其推導，所以是一門物理和數學高度結合的課程。激光物理概念的形成、物理規律的掌握離不開數學的方法與思維，而學生分析和解決物理問題能力的培養也離不開數學。因此，在教學過程中，要充分發揮數學邏輯思維和方法在分析、處理、解決物理問題中的作用；在學習方法上，引導學生自覺地、有針對性地將激光原理問題和數學方法有機地結合起來，既能從物理公式中深刻領悟物理問題的內涵與實質，又能運用數學的方法解決這些問題。書本上的知識是抽象出激光問題的實質來進行教學，具有廣泛的普遍性，它研究的是客觀物質世界的基本規律，是以實驗為基礎的，所以其所有結論均必須受到物理實驗的檢驗。因此，在教學時，講授過程中必須遵循物理原理和條件的制約，使學生在學習時能夠相互對接，這一點必須充分認識到。在針對學生的學習與探索過程中，要引導學生創新價值成果，體驗創新的過程和喜悅，形成積極的創新意識，開拓自我思路并正確理解物理世界。所以課堂教學不能純理論化，必須處理好“教與學”的關系，遵循“教”服務于“學”的原則，既要重視物理原理知識，又要將實際應用結合。教學中要時刻把握以學生學會、學懂為第一要義，決不可本末倒置，出現教師壓倒一切，不遵循知識體系逐步構建的現象，影響學生知識結構的平衡。所以《激光原理與技術》這門課，要想上好，除了扎實的專業基礎知識以外，還必須遵循“教與學”的相互滲透，惟有如此，才能讓學生充分學好本門課程。3課程內容和思維方式的滲透

本門課程的思維方式是建立在激光理論概念及其原理基礎上的一系列理論方法。它的核心思想是源于對激光產生及其系統的分析，基本方法是建立在以激光諧振腔描述的振蕩過程、原理、定律或定理。在教授方法上，有演繹法、類推法、圖解法等。由于前后知識是相互關聯、相互滲透的，因此掌握方法與掌握專業知識同等重要，在講授知識時，要有意的把所運用的方法介紹給學生，并注重對其物理直覺思維的培養。而直覺思維必須經過一定的培養與訓練，因為只有經過長期訓練和多方面熏陶，才能在科學探索中憑借高度的直覺思維能力獲得巨大的發現。比如在粒子數反轉的導出公式時遇到的一些近似，為什么做這樣的近似而不是那樣的近似，就有直覺思維和經驗。我們在教學中努力培養和訓練學生的直覺思維，讓學生明白直覺思維在激光物理學發展過程中的重要性，鼓勵學生大膽猜測，養成善于提出問題、敢于發表見解的好習慣，從而建立寬廣、扎實的知識基礎，形成合理的知識結構。4教學手段的推廣

隨著科技的發展，教學手段越來越多樣化。尤其是多媒體的運用，可以帶來諸多 的好處。除了美觀、形象、方便等一般多媒體的優點外，在課程中還可以實現全面可視化，比如一些激光方程可以利用解析解作圖來獲取。對于空間物理圖像，在有對稱性的情況下，可以降維處理，將三維空間畫成二維圖形。另外，教師對多種先進手段的運用，對學生也具有潛移默化的作用，可以激發他們學習的熱情，培養良好的學習習慣及創新精神，避免學生成為只會考試的工具。總之，對本門課程，用傳統的按部就班推理式教學已經不能滿足當今的教學特點，一定要注意運用新的教學的方式。

第二篇：激光原理與技術課程教學大綱

二、講授大綱與各章的基本要求

考核要求：

1、光的波粒二象性

周炳琨、高以智等（美）W.克希耐爾著，孫文等譯Addison-Wesley,

第三篇：激光原理與技術課程教學大綱

《激光原理與技術》課程教學大綱

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生的條件

教學要點：

通過本章的教學使學生： 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、光強的定義和光子的含義。掌握原子能級和簡并度的含義，理解原子狀態標記的方法，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。3 理解黑體輻射的概念和規律，掌握光和物質相互作用時三種基本過程的特點、規律、發生幾率，以及三者之間的關系。掌握自發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系。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。理解光在介質中受激放大的過程和規律，掌握介質中產生激光放大的條件，理解吸收系數和增益系數的概念，掌握光學諧振腔在激光器中的作用和激光閾值條件。

教學時數：10學時 教學內容：

第一節 光的波粒二象性

一、光波

二、光子

第二節 原子的能級和輻射躍遷

一、原子能級和簡并度

二、原子狀態的標記

三、玻爾茲曼分布

四、輻射躍遷和非輻射躍遷 第三節 光的受激輻射

一、黑體熱輻射

二、光和物質的作用

三、自發輻射、受激輻射和受激吸收之間的關系

四、自發輻射光功率與受激輻射光功率

第四節 光譜線增寬

一、光譜線、線型和光譜線寬度

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 激光形成的條件

一、介質中光的受激輻射放大

二、光學諧振腔和閾值條件

考核要求：

1、光的波粒二象性

1.1 光波偏振性（領會）

1.2 光速、頻率和波長的關系（領會）1.3 單色平面波（領會）1.4 光強（識記）1.5 光子（領會）

2、原子的能級和輻射躍遷

2.1 原子能級和簡并度（領會）

2.2 原子狀態的標記（領會）

2.3 輻射躍遷的選擇定則（領會）2.4 玻爾茲曼分布（領會、應用）2.5 輻射躍遷和非輻射躍遷（領會、識記）

3、光的受激輻射

3.1 黑體熱輻射（領會）

3.2 自發輻射、受激輻射、受激吸收（領會、識記、應用）3.3 自發輻射、受激輻射、受激吸收之間的關系（領會）3.4 自發輻射光功率與受激輻射光功率（領會）

4、光譜線增寬

4.1 光譜線的線型函數、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、應用）4.5 均勻增寬和非均勻增寬的概念（領會）4.6 綜合增寬（領會）

5、激光形成的條件

5.1 光束在介質中的傳播規律（領會）

5.2 產生受激光放大的條件、增益介質和增益系數（識記、應用）5.3 光學諧振腔的作用、閾值條件（領會、識記）

第二章 激光器的工作原理

教學要點：

通過本章的教學使學生： 理解光學諧振腔滿足穩定性條件的重要性，掌握穩定性的條件，理解共軸球面腔穩定圖和分類，學會穩定圖的應用。理解三能級系統和四能級系統的激光工作方式，掌握速率方程組的建立、推導和粒子數密度反轉分布的條件。掌握激光器在小信號工作時的粒子數密度反轉分布情況和在均勻增寬型介質中的粒子數密度反轉分布。理解粒子數密度反轉分布的飽和效應。掌握均勻增寬型介質中的增益系數和增益飽和。掌握在非均勻增寬型介質中粒子數密度反轉分布規律，掌握在非均勻增寬型介質中小信號時的增益系數和穩態情況下的增益飽和，掌握燒孔效應的原理。5 了解激光器所存在的各種損耗和起因，掌握激光諧振腔內穩定光強的形成過程，掌握激光器的能穩定出光的閾值條件（包括增益閾值，抽運功率閾值等）。了解激光介質能級選取的注意事項。教學時數：12學時

第一節 光學諧振腔結構與穩定性

一、共軸球面諧振腔的穩定性條件

二、共軸球面腔的穩定圖及其分類

三、穩定圖的應用

第二節 速率方程組與粒子數反轉 一、三能級系統和四能級系統

二、速率方程組

三、穩態工作時的粒子數密度反轉分布

四、小信號工作時的粒子數密度反轉分布

五、均勻增寬型介質的粒子數密度反轉分布

六、均勻增寬型介質粒子數密度反轉分布的飽和效應 第三節 均勻增寬介質的增益系數和增益飽和

一、均勻增寬介質的增益系數

二、均勻增寬介質的增益飽和 第四節 非均勻增寬介質的增益飽和

一、介質在小信號時的粒子數密度反轉分布值

二、非均勻增寬型介質在小信號時的增益系數

三、非均勻增寬型介質穩態粒子數密度反轉分布

四、非均勻增寬型介質穩態情況下的增益飽和 第五節 激光器的損耗與閾值條件

一、激光器的損耗

二、激光諧振腔內形成穩定光強的過程

三、閾值條件

四、對介質能級選取的討論

考核要求：

1、光學諧振腔結構與穩定性

1.1 共軸球面諧振腔的穩定性條件（應用）1.2 共軸球面腔的穩定圖及分類（識記）1.3 穩定圖的應用（應用）

2、速率方程組與粒子數反轉

2.1 三能級系統和四能級系統（領會）2.2 速率方程組的建立（領會）

2.3 穩態工作時的粒子數密度反轉分布（識記）2.4 飽和效應（領會、識記）

3、均勻增寬介質的增益系數和增益飽和

3.1 均勻增寬介質的增益系數和增益飽和（領會、識記）

4、非均勻增寬介質的增益飽和 4.1 粒子數密度反轉分布（識記）4.2 非均勻增寬介質的增益系數（識記）4.3 穩態情況下的增益飽和（領會、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 穩定光強的形成過程（領會、識記）5.3 閾值條件（領會、識記、應用）5.4 對介質能級選取（領會）

第三章 激光器的輸出特性

教學要點：

通過本章的教學使學生： 理解自再現模概念，掌握自再現模的特點。掌握自再現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和含義，掌握縱模頻率和頻率間隔公式，會分析縱模可能存在的數量。理解方形鏡面共焦腔自再現模積分方程的解析解，掌握鏡面上自再現模場的特征（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外的光場分布。掌握高斯光束的振幅和強度分布、相位分布、遠場發散角以及高斯光束的高亮度。理解穩定球面腔的等價共焦腔的含義，了解穩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。教學時數：12學時 第一節 光學諧振腔的衍射理論

一、菲涅耳－基爾霍夫衍射公式

二、光學諧振腔的自再現模積分方程

三、激光諧振腔的諧振頻率和激光縱模 第二節 對稱共焦腔內外的光場分布

一、共焦腔鏡面上的場分布

二、共焦腔中的行波場與腔內外的光場分布 第三節 高斯光束的傳播特性

一、高斯光束的振幅和強度分布

二、高斯光束的相位分布

三、高斯光束的遠場發散角

四、高斯光束的高亮度 第四節 穩定球面腔的光束傳播特性

一、穩定球面腔的等價共焦腔

二、穩定球面腔的光束傳播特性 第五節 激光器的輸出功率

一、均勻增寬型介質激光器的輸出功率

二、非均勻增寬型介質激光器的輸出功率

考核要求：

1、光學諧振腔的衍射理論

1.1 菲涅耳－基爾霍夫衍射公式（領會）1.2 自再現模（領會、識記）1.3 激光縱模（領會、識記）

2、對稱共焦腔內外的光場分布

2.1 鏡面上自再現模場的特征（領會、識記）2.2 行波場和腔內外光場分布（了解）

3、高斯光束的傳播特性

3.1 高斯光束的強度分布（領會、識記、應用）3.2 相位分布（領會）

3.3 遠場發散角（領會、識記、應用）3.4 高亮度（領會）

4、穩定球面腔的光束傳播特性

4.1 穩定球面腔的等價共焦腔（領會）4.2 穩定球面腔的光束傳播特性（領會）

5、激光器的輸出功率

5.1 均勻增寬型介質激光器的輸出功率（領會）

5.2非均勻增寬型介質激光器的輸出功率、蘭姆凹陷（領會）

6、激光器的線寬極限（領會）

第四章 激光的基本技術

教學要點：

通過本章的教學使學生： 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。了解激光器頻率穩定的衡量方法，掌握影響激光器頻率穩定的因素，了解常見的幾種穩頻的方法。了解高斯光束透過透鏡時的變換規律，掌握高斯光束的聚焦、準直、擴束等技術的原理和方法。理解激光調制的概念，了解電光強度調制和電光相位調制。5 了解實現激光偏轉的幾種主要途徑。理解激光諧振腔的品質因素Q的含義，掌握調Q的原理，了解幾種常見調Q的方法。理解激光鎖模技術的含義，掌握鎖模的原理，了解鎖模的2種常見途徑。教學時數：10學時 第一節 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 激光器的穩頻

一、影響頻率穩定的因素

二、穩頻方法概述

三、蘭姆凹陷法穩頻

四、飽和吸收法穩頻 第三節 激光束的變換

一、高斯光束通過薄透鏡時的變換

二、高斯光束的聚焦

三、高斯光束的準直

四、激光的擴束 第四節 激光調制技術

一、激光調制的基本概念

二、電光強度調制

三、電光相位調制 第五節 激光偏轉技術

一、機械偏轉

二、電光偏轉

三、聲光偏轉 第六節 激光調Q技術

一、激光諧振腔的品質因數Q

二、調Q原理

三、電光調Q

四、聲光調Q

五、染料調Q 第七節 激光鎖模技術

一、鎖模原理

二、主動鎖模

三、被動鎖模

考核要求：

1、激光器輸出的選模

1.1 均勻增寬型譜線的縱模競爭（領會）1.2 非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩（領會）1.3 單縱模的選取（領會、識記）1.4 單橫模的選取（領會、識記）

2、激光器的穩頻

2.1 影響頻率穩定的因素（識記）2.2 穩頻方法（了解）

3、激光束的變換

3.1 高斯光束通過透鏡時的變換（領會、應用）3.2 高斯光束的聚焦（領會、應用）3.3 高斯光束的準直（領會、應用）3.4 激光的擴束（領會、應用）

4、激光調制技術

4.1 調制的基本概念（領會）

4.2 電光強度調制和電光相位調制（了解）

5、激光偏轉技術 5.1 機械偏轉（了解）5.2 電光偏轉（了解）5.3 聲光偏轉（了解）

6、激光調Q技術

6.1 品質因數Q的概念（領會）6.2 調Q原理（領會、識記）

6.3 電光調Q、聲光調Q、染料調Q（領會）

7、激光鎖模技術 7.1 鎖模原理（領會）

7.2 主動鎖模和被動鎖模（了解）

第五章 典型激光器介紹

教學要點：

通過本章的教學使學生： 了解固體激光器的基本結構，掌握紅寶石激光器、YAG:Nd激光器的特點和機理，了解固體激光器的泵浦系統和輸出特性，了解半導體激光器泵浦的固體激光器、可調諧固體激光器和高功率激光器的優缺點及原理。了解氦氖激光器的結構和工作機理，了解二氧化碳激光器的結構、激發機理和輸出特性，了解氬離子激光器的結構、激發機理和工作特性。3 了解染料激光器的特點、激發機理、調諧原理和泵浦系統。了解半導體激光器中的能帶情況和產生受激輻射的條件，掌握PN結的雙簡并能帶結構和粒子數反轉條件，掌握半導體激光器的工作原理及閾值條件，了解同質結和異質結半導體激光器的特性。了解準分子激光器、自由電子激光器和化學激光器的特點、基本原理和輸出特性。

教學時數：4學時 第一節 固體激光器

一、固體激光器的基本結構與工作物質

二、固體激光器的泵浦系統

三、固體激光器的輸出特性

四、新型固體激光器 第二節 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 染料激光器

一、染料激光器的激發機理

二、染料激光器的泵浦

三、染料激光器的調諧 第四節 半導體激光器

一、半導體的能帶和產生受激輻射的條件

二、PN結和粒子數反轉

三、半導體激光器的工作原理和閾值條件

四、同質結和異質結半導體激光器 第五節 其他激光器

一、準分子激光器

二、自由電子激光器

三、化學激光器

考核要求：

1、固體激光器

1.1 固體激光器的基本結構和工作物質（了解）1.2 紅寶石激光器、Nd:YAG激光器（了解、識記）1.3 泵浦系統、輸出特性（了解）

2、氣體激光器

2.1 氦氖激光器結構和原理（了解、識記）2.2 二氧化碳激光器結構和原理（了解）2.3 氬離子激光器結構和原理(了解)

3、染料激光器（了解）

4、半導體激光器

4.1 半導體能帶（了解）4.2 PN結與粒子數反轉（領會）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用

教學要點：

通過本章的教學使學生： 了解激光干涉測長的基本原理、系統組成，了解激光外差干涉測長技術。2 了解激光衍射測量原理、方法及應用。了解激光測距的特點、基本原理，了解激光相位測距原理。了解激光準直儀的原理和結構，了解激光多自由度測量系統結構和原理。5 了解激光多普勒測速的原理和應用。6 了解激光測量角度和角加速度的原理。7 了解激光環境計量的原理和應用。教學時數：1學時

第一節 激光干涉測長 第二節 激光衍射測量 第三節 激光測距

第四節 激光準直及多自由度測量 第五節 激光多普勒測速

第六節 環形激光測量角度和角加速度

考核要求：

本章內容僅要求了解，不作考試要求。

第七章 激光加工技術

教學要點：

通過本章的教學使學生： 1 了解激光熱加工的原理。了解激光淬火技術的原理與應用，了解激光表面熔凝技術和熔覆技術。3 了解激光打孔和激光切割的原理與特點。了解激光焊接的特點，了解激光熱導焊和深熔焊的原理。了解激光快速成型技術的原理、優點及應用，了解激光清洗技術和激光彎曲技術。

教學時數：1學時

第一節 激光熱加工原理 第二節 激光表面改性技術 第三節 激光去除材料技術 第四節 激光焊接 第五節 激光快速成型技術 第六節 其他激光加工技術

考核要求：

本章內容僅要求了解，不作考試要求。

第八章 激光在醫學中的應用

教學要點：

通過本章的教學使學生： 了解生物體的光學特性，了解激光對生物體的作用和激光在生物體應用的優點。2 了解激光臨床治療的種類與現狀，了解激光在皮膚科及整形外科領域中的應用，了解激光在眼科、泌尿外科、耳鼻喉科中的應用。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。了解醫用激光設備（光源、光纖）。了解醫用激光新技術和光動力學治療的前景。教學時數：1學時

第一節 激光與生物體的相互作用 第二節 激光在臨床治療中的應用 第三節 激光在生物體檢測及診斷中的應用 第四節 醫用激光設備 第五節 激光應用于醫學的未來

考核要求：

本章內容僅要求了解，不作考試要求。

第九章 激光在信息技術中的應用

教學要點：

通過本章的教學使學生： 了解光纖通信系統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、分類和應用，了解光放大器的原理、種類等。了解激光全息術的基本原理和分類，了解激光全息三維顯示的優點、應用及展望。了解激光存儲的基本原理、分類及特點，了解激光體全息光存儲的特點、原理及應用，了解激光存儲的最新進展。4 了解激光在掃描器和打印機中的應用 教學時數：1學時

第一節 光纖通信系統中的激光器和光放大器 第二節 激光全息三維顯示 第三節 激光存儲技術 第四節 激光掃描和激光打印機

考核要求：

本章內容僅要求了解，不作考試要求。

第十章 激光在科學技術前沿問題中的應用

教學要點：

通過本章的教學使學生： 1 了解激光在受控核聚變中的應用。2 了解激光冷卻技術。了解激光操縱微粒的方法和原理。4 了解激光誘導化學反應的原理。5 了解激光在光譜技術中的應用。教學時數：1學時 第一節 激光核聚變 第二節 激光冷卻 第三節 激光操縱微粒 第四節 激光誘導化學過程 第五節 激光光譜學

考核要求：

本章內容僅要求了解，不作考試要求。

三、推薦教材和參考書目

1、《激光原理及應用》，陳家璧主編，電子工業出版社，2004

2、《激光原理》，周炳琨、高以智等編，第五版，國防工業出版社，2004

3、《固體激光工程》，（美）W.克希耐爾著，孫文等譯，科學出版社，2003

4、《激光技術》，藍信鉅，科學出版社，2000

5、《激光工程》，（日）中井貞雄著，熊纓譯，科學出版社，2002

6、《激光物理》，錢梅珍等著，第二版，電子工業出版社，2001

7、《Laser Physics》，M.Sargent III，M.O.Scully, W.E.Lamb, Addison-Wesley, NY, 1987

第四篇：激光原理與激光技術試卷（寫寫幫推薦）

激光原理與激光技術試卷

姓名__________專業方向__________成績__________

說明： 1本試卷為2013級研究生2013-2014學年使用；

2本試卷獨立完成，考生可參考書及筆記本，要求2014年1月10日前完成。

一、解釋下列名詞(15分)

腔壽命――

縱膜頻率間隔――

橫膜――

等價共焦腔――

高斯光束焦參數――

二、簡答題(25分)

1.簡述激光器的構成及各部分的功能；

2.什么是單程功率損耗？單程功率損耗包括哪些方面？

3.諧振腔的本征縱膜頻率間隔與哪些因素有關，起振模式數指什么？

4.影響頻率穩定的原因是因為哪些參數發生變化？

5.高斯光束聚焦和準直各有什么特點？與平行光束的聚焦和準直有什么區別？

三、證明題(20分)

請用光學變換矩陣的方法證明雙凹共焦腔的穩定性。

四、計算題

1.(15分)一氦氖激光器腔長L = 30 cm，腔內氣體折射率 n ? 1，其非均勻加寬的線寬 ??D= 1.5×105 MHz，求：

(1)該激光器的縱膜頻率間隔；

(2)滿足域值條件的縱膜個數；

(3)為使滿足域值條件的縱膜數限制為10，腔長應限制在什么范圍？

2.(25分)一臺Nd:YAG激光器(波長 ? = 1.06? m)采用對稱共焦腔結構，腔長L = 1.2m，求：

(1)求此激光器基膜高斯光束的腰斑半徑及鏡面上的基膜光斑半徑；

(2)求此激光器基膜高斯光束的遠場發散角；

(3)求此腔產生的高斯光束焦參數；

(4)求腰處及與腰斑相距2米處的q參數；

(5)請設計一個與該共焦腔腔長相等的，平凹腔結構的等價球面腔，并畫出該共焦腔與等價球面腔的結構示意圖。

第五篇：激光原理與應用教案

激光原理與應用教案

一.緒論

本節課教學目標：

讓學生了解激光的歷史，激光形成及發展、理論體系的形成。

讓學生了解激光科學的分支及激光在軍事、信息技術、醫療等方面的應用；

本節課教學內容：

1．激光的概念：

激

光——利用受激輻射的光放大。

LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2． 激光的發現：

最早在1917年——Einstein首次預言受激輻射激光，歷史上首先在微波波段實現量子放大（1953），1954年——C.H.Townes, I.P.Gorden, H.J.Zeiger 使用NH3分子射束實現Maser向更短波長進發——ammonia beam maser，1958年——A.L.Schawlow, C.H.Townes, A.M.PoxopoB提出將Maser原理推廣到光波段——laser，1960年——T.H.Maiman of Bell Lab 紅寶石 首次實現laser l=6943? 紅光（早期的名稱：萊塞、光量子振蕩器、光激射器 受激光，“激光”——錢學森在1963年提出。61年 中國（亞洲）第一臺激光器誕生在長春（長春光機所和光機學院），由王之江院士發明。

激光科學技術發展的基礎學科——光譜學，物理光學，固體物理，物質結構，無線電電子學。推動力——廣闊的應用領域：核聚變，加工，熱處理，通訊，測距，計量，醫療可調諧性和超短脈沖——高時間、空間分辨、能量分辨。

3．激光與普通光源的區別？

（1）良好的單色性。單色性指光源發射的光波長范圍很小，測距。（2）良好的方向性。激光的光束幾乎只沿著一個方向傳輸。測距，通信。（3）高亮度。激光功率集中在極小的空間范圍內。切割，手術，軍事。（4）極好的相干性。各列波在很長的時間內存在恒定的相位差。精確測距。4．激光的應用。

（1）信息科學領域。激光雷達，空間通信。

（2）醫學領域。激光穿心術，激光眼科手術，激光牙科手術。

（3）工業領域。激光切割，激光打孔，飛秒激光微加工，激光全息，激光電視。（4）能源方面。激光受控核聚變，神光裝置。

（5）軍事領域。低能和高能激光武器，太空武器等，激光測距。

5．激光器的組成

激光器由泵浦源，工作物質和諧振腔組成。

由外界激勵源的激發在工作物質的能級之間實現粒子數反轉分布是形成激光的內在依據。光學諧振腔是形成激光的外部條件。

本節課教學手段與方法：

采用多媒體形式。播放了世界上第一臺激光器的發明電影短片，并采用豐富的圖片總結性地講述激光與普通光源的區別和激光廣泛的應用。

第一章 輻射理論概要與激光產生的條件

§1.光的波粒二象性

本節課教學目標：

讓學生光的本質及光的經典理論。

本節課教學內容： 1．光波

電磁波理論雖然使光的波動說一度占領了光學領域，但19世紀末，實踐中遇到的光與物質相互作用的許多 現象卻無法解釋，如黑體輻射、光的吸收與發射、光電效應、光化學反應等。1905年，愛因斯坦發展了普朗克的量子假說，在一種全新的物理意義上提出了光子學說。愛因斯坦認為光子既是粒子、同時又是波。光在與物質相互作用時粒子性明顯，光在傳播中則波動性突出。光的這種粒子性和波動性相互對立又并存的性質，叫做光的“波粒二象性”。

光波是一種電磁波，是E和B的振動和傳播。習慣上把電矢量叫做光矢量。光速、頻率和波長三者的關系

υ?c??υ???(???0)?2．單色平面波

波面——相位相同的空間各點構成的面

平波面——波面是彼此平行的平面,且在無吸收介質中傳播時,波的振幅保持不變。

單色平波面——具有單一頻率的平面波。

實際上任何光波都不可能是全單色的，總有一定的頻率寬度。當△v＜＜v0時，就叫準單色波。

簡諧波——理想單色平面波

簡諧波方程： U?U0cos?(t??)?U0cos?(t?zc)

2?t2?zU?U0cos?(t?z)?U0cos(?)cT?3．光子

在真空中一個光子的能量為?，動量為P，則它們與光波頻率，波長之間的關系：

??hν?hν?h?h2??h?P?n0?n0??n0?kc?2??2?式中h是普朗克常數，h=6.63×10-34J?S 本節課教學手段與方法：

采用多媒體形式。用豐富的圖片來說明光的經典理論。

§2.原子的能級和輻射躍遷

本節課教學目標：

理解原子能級和簡并度、原子狀態的標記； 掌握玻爾茲曼分布、輻射躍遷和非輻射躍遷

本節課教學內容：

1.原子中電子的狀態由下列四個量子數來確定

（1）主量子數n，n＝1，2，3，?代表電子運動區域的大小和它的總能量的主要部分。

(n（2）輔量子數l, l ?

0 ,1 ,2 ?

? 1)代表軌道的形狀和軌道角動量，這也同電子的能量有關。

（3）磁量子數（即軌道方向量子數）m=0，±1，±2，±l? 代表軌道在空間的可能取向，即軌道角動量在某一特殊方向的分量

（4）自旋量子數（即自旋方向量子數）ms= ±1/2，代表電子自旋方向的取向，也代表電子自旋角動量在某一特殊方向的分量

2.電子具有的量子數不同，表示有不同的電子運動狀態

（1）電子的能級，依次用E0，E1，E2，? En表示（2）基態：原子處于最低的能級狀態

（3）激發態：能量高于基態的其它能級狀態

3.玻爾茲曼分布

現考慮由n0個相同原子(分子或離子)組成的系統，在熱平衡條件下，原子數按能級分布服從波爾茲曼定律

ni?gie?Ei kT

?nmgm?enngn(Em?En)kT分別處于Em和En能級上的原子數nm和nn必然滿足下一關系

4．輻射躍遷和非輻射躍遷

（1）輻射躍遷：發射或吸收光子從而使原子造成能級間躍遷的現象

（2）非輻射躍遷：原子在不同能級躍遷時并不伴隨光子的發射和吸收，而是把多余的能量傳給了別的原子或吸收別的原子傳給它的能量。

本節課教學手段與方法：

采用多媒體形式。

先復習原子的四個量子數，再對簡并、簡并度進行定義。闡明在熱平衡情況下，處于高能態的粒子數總是小于處于低能態的粒子數的這一規律。最后介紹原子的輻射躍遷和非輻射躍遷。

§3.光的受激輻射

本節課教學目標：

了解光與物質的相互作用，掌握這種相互作用中的受激輻射過程是激光器的物理基礎，根據光與物質的相互作用物理模型分析空腔黑體的熱平衡過程，從而導出愛因斯坦三系數之間的關系。

本節課教學內容：

一、經典的輻射理論引用偶極子的概念，反映了光的發射和吸收過程的規律；

二、黑體熱輻射的實驗現象；

三、光和物質的相互作用（重點、難點）

1.愛因斯坦粒子模型——粒子只有間距為hv=E2－E1(E2＞E1)的二個能級,且它們符合輻射躍遷選擇定則。

2.光頻電磁場與物質的三種相互作用過程——(1).自發發射、(2).受激輻射、(3).受激吸收以及各個過程的特點、系數、各系數的物理意義；

四、愛因斯坦三系數的相互關系的推導，五、自發輻射功率與受激輻射功率的計算（重點）

討論: 創造條件，增大受激輻射程度的方法。

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

先介紹經典的輻射理論，反映了光的發射和吸收過程的規律、再介紹黑體熱輻射，重點介紹光和物質的相互作用過程、愛因斯坦粒子模型，講解清楚電磁場與物質的三種相互作用過程的特點、系數、各系數的物理意義。最后導出自發輻射功率與受激輻射功率的計算和比較，引導學生討論創造怎樣的條件，可增大受激輻射程度，達到激光的目的。

§4.光譜線增寬

本節課教學目標：

了解光譜線型對光與物質的作用的影響，分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據不同的物理過程求出g(ν,ν。)的具體函數形式。

本節課教學內容：

一、光譜線，線型和光譜線寬度

1．原子輻射的波不是單色的，而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內。

2.就每一條光譜線而言，在有限寬度的頻率范圍內，光強的相對強度也不一樣。

二、自然增寬（重點）

1.經典理論——描述原子內部電子的運動,其物理模型就是按簡諧振動或阻尼振動規律運動的電偶極子,稱為簡諧振子。

2．衰減振動不是簡諧振動，因此原子輻射的波不是單色的，譜線具有有限寬度。

3．自然增寬: 作為電偶極子看待的原子作衰減振動而造成的譜線增寬。

?νN2?fN(ν)?

4．自然增寬的譜線型函數：（難點）

(ν?ν0)2?(?νN2)2

5.量子解釋——測不準關系，對原子的能級來說，時間的不確定值就是原子的平均壽命，則能級有一定寬度。

三、碰撞增寬（重點）

1．自然增寬是假設原子彼此孤立并且靜止不動所造成的譜線增寬。而碰撞增寬是考慮了發光原子間的相互作用造成的，碰撞使原子發光中斷或光波位相發生突變，即使發光波列縮短。fc(ν)?2．碰撞增寬的譜線型函數：

四、多普勒增寬

多普勒增寬——光源與接收器相對運動引起的頻移導致的譜線增寬。

?νc2?(ν?ν0)2?(?νc2)2本節課教學手段：

采用多媒體形式。

先介紹原子在發輻射過程中，各種因素的影響,自發輻射并不是單色的,而是分布在中心頻率(E2-E1)/h附近一個很小的頻率范圍內。引入譜線加寬的概念。定義線型函數為

f(?)?I(?)?I0I(?)?I(?)d?再分析引起譜線加寬的各種物理機制,并根據不同的物理過程求出f（ν）的具體函數形式。

§5.激光形成的條件

本節課教學目標：

掌握產生激光的基本條件 ——激發射占優勢、產生激光必須具備的三個條件；

本節課教學內容：

一、介質中光的受激輻射放大（重點、難點）

1.要能形成激光，首先必須使介質中的受激輻射大于受激吸收。

2.光束在介質中的傳播規律

3.介質中產生受激光放大的條件、增益介質與增益系數。

二、光學諧振腔和閾值條件

1.滿足了以上兩個條件后，還要采取什么措施使受激輻射成為增益介質中的主要發光過程，而不是自發輻射？

2.要使受激輻射幾率遠大于自發輻射幾率，3.光學諧振腔的作用；

4．產生激光必須具備的條件（重點）

（1）激勵能源——把介質中的粒子不斷地由低能級抽運到高能級去

（2）增益介質——能在外界激勵能源的作用下形成粒子數密度反轉分布狀態

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

介紹光放大的條件——集居數反轉。一定的條件下物質的光吸收可以轉化為自己的對立面——光放大；引進光放大物質的增益系數與增益曲線；再介紹自激振蕩概念，以及激光器應包括光放大器和光諧振腔兩部分，最后導出產生激光必須具備的條件。

第二章 激光器的工作原理

§1.光學諧振腔結構與穩定性

本節課教學目標：

了解光學諧振腔的作用，它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，進行激光器件的設計和裝調的基礎，也是研究和掌握激光本技術和應用的基礎。根據幾何偏折損耗的高低．開放式 光腔可以分為穩定腔和非穩腔。

本節課教學內容：

一、光學諧振腔結構與穩定性 1．光腔的作用 2．光腔的構成和分類

二、腔 —— 開放式共軸球面光學諧振腔的構成（重點）

三、腔按幾何損耗(幾何反射逸出)的分類:

四、共軸球面諧振腔的穩定性條件

五、軸球面諧振腔的穩定圖及其分類（重點）

六、穩定圖: 穩定條件的圖示

七、定圖的應用（重點、難點）

例(a)要制作一個腔長L＝60cm的對稱穩定腔，反射鏡的曲率半徑取值范圍如何？

(b)穩定腔的一塊反射鏡的曲率半徑R1＝4L，求另一面鏡的曲率半徑取值范圍。

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧產生激光的必要條件，引進對光腔問題的研究在激光技術中具有重要的理論和實踐意義。再介紹開放式共軸球面光學諧振腔的構成，并根據光腔按幾何損耗進行分類以及光腔穩定條件、軸球面諧振腔的穩定圖。重點介紹對稱共焦腔是最重要和最具有代表性的一種穩定腔。最后用圖直觀地表示穩定條件——穩定圖及穩定圖的應用。

§2.速率方程組與粒子數反轉

本節課教學目標：

掌握速率方程方法以及速率方程的求解步驟，通過求解速率方程組，了解可實現粒子數反轉的幾種量子系統。從而知道在光頻區, 二能級系統不可能實現粒子數反轉；而三能級系統雖然可以實現粒子數反轉，但因為下能級為基態，極易積累粒子，對抽運的要求很高，所以不易實現粒子數反轉；而四能級系統的下能級不是基態，故閾值抽運強度比三能級系統小，有時甚至可以小3～4個數量級，所以四能級系統較容易實現粒子數反轉。

本節課教學內容： 一、二能級三能級系統和四能級系統（重點）

畫出各能級系統能級圖、列出各能級系統能的速率方程組，求解速率方程組，從

而得到數學解和物理解；分析各能級系統的數學解和物理解，得出結論——二能級系統

不可能產生激光，而四能級系統產生激光要比三能級系統容易得多。

二、考慮譜線增寬再討論以上情況。（重點）

三、穩態工作時的粒子數密度反轉分布

四、小信號工作時的粒子數密度反轉分布

1．小信號粒子數密度反轉分布

2．小信號粒子數反轉的物理條件

五、均勻增寬型介質的粒子數密度反轉分布（難點）

六、均勻增寬型介質粒子數密度反轉分布的飽和效應（難點）

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧實現粒子數反轉的兩個必要條件，引入速率方程方法，求解速率方程組，分析粒子系統能否實現粒子數反轉的數學解，確定粒子數反轉的物理條件。進一步討論穩態工作時的粒子數密度反轉分布，導出小信號粒子數反轉的物理條件，再研究均勻增寬型介質的粒子數密度反轉分布△n，討論△n與各種因素的關系，引出△n飽和效應的概念、飽和原因。最后導出飽和光強(飽和參量)Is 的物理意義。

§3.均勻增寬介質的增益系數和增益飽和

本節課教學目標：

從速率方程出發導出激光工作物質的增益系數表示式,分析影響增益系數的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為，導出的增益系數表示式。從而得到結果——在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當某一頻率(ν

1)的受激輻射消耗了激發態的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數。其結果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。

本節課教學內容

一、均勻增寬介質的增益系數

二、增寬飽和：在抽運速率一定的條件下，當入射光的光強很弱時，增益系數是一個常數；當入射光的光強增大到一定程度后，增益系數隨光強的增大而減小。

三、對增益飽和分幾種情況討論（重點）

例.He-Ne激光器中，Ne原子數密度n0＝n1+n2＝l012 cm-3，1/f(?)＝15×109 s-1，λ＝0.6328?m，＝10-7s，g2＝3，g1＝5，又知E2、E1能級數密度之比為4，求此介質的增益系數G值。

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

從速率方程出發導出激光工作物質的增益系數表示式,分析影響增益系數的各種因素,著重討論光強增加時增益的飽和行為。讓學生明確：在均勻加寬譜線情況下,由于每個粒子對譜線不同頻率處的增益都有貢獻,所以當某一頻率(ν1)的受激輻射消耗了激發態的粒子時.,也就減少了對其他頻率(ν)信號的增益起作用的粒子數。其結果是增益在整個譜線上均勻地下降。于是在均勻加寬激光器中,當一個模振蕩后,就會使其他模的增益降低,因而阻止了其他模的振蕩。

§4.非均勻增寬介質的增益飽和

本節課教學目標：

因為具有均勻加寬譜線和具有非均勻加寬譜線的工作物質的增益飽和行為有很大差別,由它們所構成的激光器的工作特性也有很大不同,因此將分別予以討論。所以必須掌握非均勻增寬介質的特點，即不同發光粒子只對光源光譜線的相應部分有貢獻。從而導出的增益系數表示式以及反轉粒子數—— 燒孔效應。分析可以得到：光波I 使均勻增寬型介質對各種頻率的光波的增益系數都下降同樣的倍數；而對非均勻增寬型介質它只能引起某個范圍內的光波的增益系數下降，并且下降的倍數不同。

本節課教學內容：

一、非均勻增寬介質的增益飽和

1．由于介質內的粒子在作紊亂的熱運動，粒子運動的速度沿腔軸方向的分量滿足麥克斯韋速度分布律。

2．因為在非均勻增寬工作物質中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉粒子數密度△n0 按頻率v有一個分布.二、增益系數的計算（重點、難點）

方法:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。

三、非均勻增寬介質穩態粒子數密度反轉分布

四、反轉粒子數燒孔效應（重點）

五、非均勻增寬介質穩態情況下的增益飽和

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧非均勻增寬特點——不同發光粒子只對光源光譜線的相應部分有貢獻。分析影響增益系數以及粒子數反轉分布的各種因素,讓學生明確：因為在非均勻增寬工作物質中，每一種特定類型的粒子，只能同某一定頻率v 的光相互作用。因此反轉粒子數密度n0 按頻率v有一個分布.著重講解非均勻增寬增益系數的計算，方法是:把一條非均勻增寬譜線看作大量線寬極窄的均勻增寬譜線的疊加。再介紹非均勻增寬介質穩態粒子數密度反轉分布、非均勻增寬介質穩態情況下的增益飽和。引進—— 燒孔效應的概念。讓學生了解到(燒孔面積)常用來估算輸出激光功率。§5.激光器的損耗與閾值條件

本節課教學目標：

如果諧振腔內工作物質的某對能級處于集居數反轉狀態,則頻率處在它的譜線寬度內的微弱光信號會因增益而不斷增強。另一方面,諧振腔中存在的各種損耗,又使光信號不斷衰減。能否產生振蕩,取決于增益與損耗的大小。本節由增益飽和效應出發估算穩態工作時的腔內平均光強,推導激光器自激振蕩的閾值條件。并在此基礎上給出粗略估算輸出功率的方法。

本節課教學內容：

一、損耗

1．內部損耗——增益介質內部由于成分不均勻、粒子數密度不均勻或有缺陷而使光產生折射、散射等使部分光波偏離原來的傳播方向，造成光能量的損耗。2．鏡面損耗

二、激光器內形成穩定光強的過程（重點）

三、閾值條件

四、對介質能級選取的討論

例：實驗測得He-Ne激光器以波長 λ＝0.6328?工作時的小訊號增益系數為G0＝3?10－4/d(cm-1)，d為腔內毛細管內徑(cm)。以非均勻增寬計算腔內光強I＝50W／cm2的增益系數G(設飽和光強Is＝30W／cm2時，d＝1mm)，并問這時為保持振蕩穩定，兩反射鏡的反射率(設r1＝r2，腔長0.1m)最小為多少(除透射損耗外，腔內其它損耗的損耗率a內＝9?10－4cm-1)?又設光斑面積A＝0.11mm2，透射系數t＝0.008，鏡面一端輸出，求這時輸出功率為多少毫瓦。

本節課教學手段與方法：

采用多媒體形式。

先回顧 ——產生激光的三個必要條件：1.工作物質 2.激勵能源3.光學諧振腔再討論對光學諧振腔, 要獲得光自激振蕩, 須令光在腔內來回一次所獲增益,至少可補償傳播中的損耗.，研究諧振腔的損耗與閾值條件。通過研究激光器內形成穩定光強的過程，推導出形成激光所要求的增益系數的條件、激勵能源對介質粒子的抽運一定要滿足的條件，然后對介質能級選取進行討論，并通過例題加深學生對這些問題的認識。

第三章 激光器的輸出特性

§1.光學諧振腔的衍射理論

本節課教學目標：

本節將討論光腔模式問題。模式問題在激光技術中具有重要的理論和實踐意義。它是理解激光的相干性、方向性、單色性等一系列重要特性，自再現模的求解是諧振腔衍射理論的重要部分，自再現模積分的數學基礎是菲涅耳——基爾霍夫衍射積分公式，我們的目的是弄清楚激光模式的基本特征及其與腔的結構之間的具體依賴關系。

本節課教學內容：

一、惠更斯-基爾霍夫衍射公式

二、光學諧振腔的自再現模積分方程（重點）

1．自再現模概念

2．腔與模的一般聯系

3．橫模的形成

4．孔闌傳輸線、自再現模(橫模)的形成過程

三、菲涅耳-基爾霍夫衍射積分（重點、難點）

首先要解決的一個問題是,如果已知某一鏡面上的場分布u1(x?，y?),如何求出在衍射的作用下經腔內一次渡越而在另一個鏡面上生成的場u2(x,y)。' 這里,(x?,y?)、(x,y)分別衰示兩個鏡面上場點的坐標。知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布。

四、積分方程解的物理意義（重點）

五、光學諧振腔諧振頻率和激光縱模

1．諧振條件、駐波和激光縱模 2．縱模頻率間隔

3．選縱模

本節課教學手段：

采用多媒體形式。

先回顧 ——產生激光的三個必要條件：1.工作物質 2.激勵能源3.光學諧振腔再從研究諧振腔的衍射理論開始,為了形象地理解開腔中自再現模的形成過程,我們用波在孔闌傳輸線中的行進,模擬它在平面開腔中的往復反射。這種孔闌傳輸線由一系列同軸的孔徑構成,這些孔徑開在平行放置著的無限大完全吸收屏上,相鄰兩個孔徑間的距離等于腔長,孔徑大小等于鏡的大小。當模擬對稱開腔時,所有孔徑的大小和形狀都應相同。

光學中著名的惠更斯-菲涅耳原理是從理論上分析衍射問題的基礎,因而' 也必然是開腔模式問題的理論基礎。該原理的嚴格數學表述是所謂菲涅耳.基爾霍夫衍'射積分,它可以從普遍的電磁場理論推導出來。該積分公式表明,如果知道了光波場在其所達到的任意空間曲面上的振幅和相位分布,就可以求出該光波場在空間其他任意位置處的振幅和相位分布

§2.對稱共焦腔內外的光場分布

本節課教學目標：

敘述開腔模的物理概念, 應用惠更斯-菲涅耳原理是從理論上定量討論衍射問題。介紹平面腔模的迭代解法，求解對稱共焦腔中的自再現模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。以方型鏡面的對稱共焦腔為例，求解方程：

?mnumn(x,y)???K(x,y,x',y')umm(x',y')ds'得出一系列本征函數,它們描述共焦腔鏡面上場的振幅和相位分布,同時得出一系列相應的本征值,它們決定模的相移和損耗。

本節課教學內容：

一、共焦腔鏡面上的場分布（重點、難點）

1．方形鏡面共焦腔自再現模積分方程的解析解

2．鏡面上自再現模場的特征： TEMmn模在鏡面上振幅分布的特點取決于厄米多項式與高斯函數的乘積。厄米多項式的零點決定場的節線，厄米多項式的正負交替的變化與高斯函數隨著x、y的增大而單調下降的特征決定著場分布的外形輪廓。

二、共焦腔中的行波場與腔內外的光場分布（重點）

腔內的光場可以通過基爾霍夫衍射公式計算,由鏡面M1上的場分布在腔內造成的行波求得。腔外的光場則就是腔內沿一個方向傳播的行波透過鏡面的部分。即行波函數乘以鏡面的透射率t。

上式是共焦腔模式理論的最基本的結果。

?22??22??umn?x,y,z??CmnHm??xH??1??2w?n?1??2wss????2x2?y2? exp???1??2?w2??exp??i??x,y,z??s???y????本節課教學手段：

采用多媒體形式。

前面已經敘述了開腔模的物理概念,先回顧自再現模積分方程解的物理意義、建立激光模式的概念。再求解對稱開腔中的自再現模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布。讓學生了解到解積分方程問題就是要求出一些本征值與本征函數。它們決定著開腔自再現模的全部特征,包括場分布及傳輸特性，并以符號TEMmn表示共焦腔自再現模。共焦腔反射鏡面本身構成光場的一個等相位面。

§3.高斯光束的傳播特性，穩定球面腔的光束傳播特性

本節課教學目標：

1.在求解對稱開腔中的自再現模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布的基礎 上，研究高斯光束的傳播特性。

2． 共焦腔模式理論不僅能定量說明共焦腔震蕩模本身的特性，更重要的是它能夠被推廣到一般穩定球面腔系統。本節將證明：任何一個共焦腔與無窮多個穩定球面腔等價，而任何一個球面腔唯一地等價于一個共焦腔。

本節課教學內容：

一、高斯光束的振幅和強度分布（重點）

1．基橫模TEM00的場振幅U00和強度I00分布分別為：

2．光斑半徑

3．模體積

二、高斯光束的相位分布（共焦場的等相位面的分布圖）

三、高斯光束的遠場發散角

四、高斯光束的高亮度

五、穩定球面腔的光束傳播特性（重點、難點）

1．穩定球面腔的等價共焦腔

2．穩定球面腔的光束傳播特性

本節課教學手段：

采用多媒體形式

1.先回顧求解對稱開腔中的自再現模積分方程,了解輸出激光的具體場的分布，再研究高斯光束的傳播特性。引導學生了解到高斯光束與普通光束有著很大的區別，因此研究高斯光束在空間的傳輸規律．以及光學系統對高斯光束的變換規律，就成為激光的理論和實際應用中的重要問題。

2.共焦腔模式理論不僅能定量地說明共焦腔振蕩模本身的特征,更重要的是,它能被推廣到整個穩定球面腔系統,這一推廣是諧振腔理論中的一個重大進展。任何一個共焦腔與無窮多個穩定球面腔等價。而任何一個穩定球面腔唯一地等價于→個共焦腔。這里所說的“等價”,就是指它們具有相同的行波場。這種等價性深刻地揭示出各種穩定腔(共焦腔也是其中的一種)之間的內在聯系,它使得我們可以利用共焦腔模式理論的研究結果來解析地表述一般穩定球面腔模的特征。

§4.激光器的輸出功率，激光器的線寬極限

本節課教學目標：

1由于激活介質中的光放大作用、諧振腔內損耗系數的不均勻分布以及駐波效應和光波場的橫向高斯分布,腔內光強是不均勻的。精確計算腔內各點光強是個復雜的問題。本節由增益飽和效應出發估算穩態工作時的腔內平均光強,并在此基礎上給出粗略估算輸出功率的方法。

2．激光線寬及頻率牽引也是激光器的要特性

線寬是由于自發輻射的存在而產生的,因而是無法排除的,所以稱它為線寬極限。

本節課教學內容：

一、均勻增寬型介質激光器的輸出功率

1．穩定出光時激光器內諸參數的表達式

2．激光器的輸出功率

二、非均勻增寬介質穩態情況下的增益飽和（重點、難點）

三、非均勻增寬型介質激光器的輸出功率

四、激光器的線寬極限

1．造成線寬的原因

2．激光線寬與激光器輸出功率成反比

輸出功率越大,線寬就越窄。這是因為輸出功率增大就意味著腔內相干光子數增多,受激輻射比自發輻射占更大優勢,因而線寬變窄。減小損耗和增加腔長也可使線寬變窄。例如半導體激光器由于腔長只有數百微米而具有較寬的激光線寬。若將它與一外反射鏡構成外腔半導體激光器則可使線寬顯著減小。P?AIout12LG0?t1IsA(?1)2a1?t1本節課教學手段：

采用多媒體形式

講解讓學生明白：1激光器在外界激發作用很弱時,激活介質的小信號增益系數小于閾值增益系數,激光器無輸出。如果外界激發作用增強到小信號增益系數超過閾值增益系數,腔內光強便會不斷增大.但是腔內光強不會無限制地增加下去,因為當光強越強,消耗的反轉粒子數便越多,由于激活介質的增益飽和作用而使增益系數下降.只要增益系數尚未降至閾值,上述過程就會繼續下去,即光強繼續增大,增益系數繼續下降.直到增益系數下降到閾值時,增益與損耗達到平衡,光強不在增大,這時,激光器建立起了穩定的工作狀態。2因此激光器的凈損耗以及單縱模的線寬似乎應等于零,但這只是對激光器內物理過程的一種理想化的近似描述。這種理想情況的物理圖像是:腔內的受激輻射能量補充了損耗的能量,且由于受激輻射產生的光波與原來的光波具有相同的相位,二者相干疊加使腔內光波的振幅始終保持恒定,因而輸出激光在理想情況下為一無限長的波列,其線寬應等于零。這一矛盾的原因是,我們在分析激光器振蕩過程時,忽略了自發輻射的存在,而實際上自發輻射是始終存在的。由于和受激輻射相比自發輻射的貢獻極其微弱,因而在討論閾值及輸出功率等問題時可以忽略不計;但在考慮線寬問題時卻必須考慮自發輻射的影響。

第四章 激光的基本技術

§1.激光器輸出的選模

本節課教學目標：

從一臺簡單激光器出射的激光束,其性能往往不能滿足應用的需要,為了改善激光器輸出光的時間相性或空間相干性,發展了模式選擇。本節介紹如何設計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出的原理

本節課教學內容：

一、激光單縱模的選取

1．均勻增寬型譜線的縱模競爭

2．非均勻增寬型譜線的多縱模振蕩

3．單縱模的選取

二、激光單橫模的選取

1．衍射損耗和菲涅耳數

2．衍射損耗曲線

3．光闌法選取單橫模

4．聚焦光闌法和腔內望遠鏡法選橫模

本節課教學手段：

采用多媒體形式

講解讓學生明白：1.激光的優點在于它具有良好的方向性、單色性和相干性。理想激光器的輸出光束應只具有一個模式,然而若不采取選模措施,多數激光器的工作狀態往往是多模的。含有高階橫模的激光束光強分布不均勻,光束發散角較大。含有多縱模及多橫模的激光束單色性及相干性差。激光準直、激光加工、非線性光學研究、激光中遠程測距等應用均需基橫模激光束。而在精密干涉計量、光通信及大面積全息照相等應用中不僅要求激光是單橫模的,同時要求光束僅含有一個縱模。因此,如何設計與改進激光器的諧振腔以獲得單模輸出是一個重要課題。然后介紹實現橫模選擇的幾種具體方法、如何在特定躍遷譜線寬度范圍內獲得單縱模振蕩的方法。

§2.激光調Q技術，激光鎖模技術

本節課教學目標：

本節討論了用調Q技術壓縮激光脈沖寬度以獲得高功率脈沖的方法。為了得到更窄的脈沖,還可以利用鎖模技術對激光束進行特殊的調制,使光束中不同的振蕩縱模具有確定的相位關系,從而使各個模式相干疊加得到超短脈沖。鎖模激光脈沖寬度可達10-11~10-14s,相應的具有很高的峰值功率。本節還對鎖模激光器工作原理作簡單介紹。

本節課教學內容：

一、激光調 Q 技術

1激光諧振腔的品質因數Q

2調 Q原理（重點）

調Q 激光器的基本原理:就是通過某種方法使諧振腔的損耗值按規定的程序變化,從而壓縮光脈沖的寬度,大大提高輸出峰值功率。調Q 的基本過程:在泵浦開始時,使諧振腔的損耗增大, Q 值降低,此時器件振蕩閾值變高,振蕩不能形成,上能級反轉粒子數密度便有可能大量積累.當積累到最大值(飽和值)時,突然使諧振腔的損耗變小, Q 值突增,這時器件振蕩閾值突然變低,激光器振蕩迅速建立,腔內象雪崩一樣以極快的速度建立起極強的振蕩,在短時間內反轉粒子數大量被消耗,轉變為腔內的光能量,同時輸出一個極強的激光脈沖。

3電光調 Q

4聲光調 Q

5染料調Q

二、激光鎖模技術

鎖模是進一步對激光進行特殊的調制。技術上利用多縱模輸出的激光束，經過特殊的調制，使其各個縱模之間有了確定的位相關系。

1主動鎖模

2被動鎖模 本節課教學手段：

采用多媒體形式 通過討論讓學生明白：

為了得到高的峰值功率和窄的單個脈沖,采用了Q調制技術,它的基本原理是通過某種方法使諧振腔的損耗δ(或Q值)按照規定的程序變化,在泵浦激勵剛開始時,先使光腔具有高損耗δH,激光器由于閾值高而不能產生激光振蕩,于是亞穩態上的粒子數便可以積累到較高的水平。然后在適當的時刻,使腔的損耗突然降低到δ,閾值也隨之突然降低,此時反轉集居數大大超過閾值,受激輻射極為迅速地增強。于是在極短時間內,上能級儲存的大部分粒子的能量轉變為激光能量,在輸出端有一個強的激光巨脈沖輸出。普通的脈沖激光器,光脈沖的寬度約在ms級,峰值功率也只有幾十kW.調 Q 激光器,光脈沖的寬度可以壓到ns級,峰值功率也已達到MW.而鎖模是進一步對激光進行特殊的調制。

第五章 典型激光器介紹

§1.固體激光器

本節課教學目標：

一般固體激光器是指沒有調Q、倍頻、鎖模等特殊功能的固體激光器,它是固體激光器的最基本組成形式。本節重點討論固體激光器的共同部分,即討論固體工作物質、泵浦系統、冷卻與濾光以及連續和長脈沖固體激光器的闕值、激光輸出能量(功率)和效率。在泵浦系統中著重討論當前最常用的燈泵浦系統和時可國內外重點發展的激光二極管泵浦系統。

本節課教學內容：

一、固體激光器的基本結構與工作物質（重點）

固體激光器基本上都是由工作物質、泵浦系統、諧振腔和冷卻、濾光系統構成的。

紅寶石激光器屬于三能級系統，紅寶石激光器的優點和主要缺點。

二、固體激光器的泵浦系統

固體激光工作物質是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。常用的泵浦燈在空間的輻射都是全方位的，固體激光器的泵浦系統還要冷卻和濾光。

三、固體激光器的輸出特性

固體激光器的激光脈沖特性

四、新型固體激光器

1.半導體激光器泵浦的固體激光器

2.可調諧固體激光器

3.高功率固體激光器

本節課教學手段：

采用多媒體形式 通過討論讓學生明白：

紅寶石突出的缺點是閾值高(因是三能級)和性能易隨溫度變化。但具有很多優點,如:機械強度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩態壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;熒光譜線較寬,容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收(目前大多數光電元件和照相乳膠對紅光的感應靈敏度較高)。因此,紅寶石仍屬一種優良的工作物質而得到廣泛應用。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達上千焦耳。單級調Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛星進行了測距試驗)。多級放大器件的輸出峰值功率已達數千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發展上是貢獻比較大的一種晶體。

§2.氣體激光器

本節課教學目標：

本節重點討論He-Ne激光器的結構和激發機理、輸出特性、CO2激光器的結構和激發過程 Ar＋激光器的結構、Ar＋激光器的工作持性。

本節課教學內容：

一、氦-氖(He-Ne)激光器

1.He-Ne激光器的結構和激發機理

2.He-Ne激光器的輸出特性二、二氧化碳激光器

1.CO2激光器的結構和激發過程

2．CO2激光器的輸出特性

三、Ar+離子激光器

1.Ar＋激光器的結構

2.Ar＋激光器的激發機理

本節課教學手段：

采用多媒體形式

通過討論讓學生明白：與其他種類的激光器相比較，氣體激光器的突出優點是輸出光束的質量好（單色性、相干性、光束方向性和穩定性等）。

§3.染料激光器，半導體激光器，其他激光器

本節課教學目標：

本節重點討論染料激光器、半導體激光器的結構和激發機理、輸出特性、工作持性等。

本節課教學內容：

一、染料激光器的激發機理

1.染料分子能級

2.染料分子的光輻射過程

3.染料分子的三重態“陷阱”

二、染料激光器的泵浦

1.閃光燈脈沖泵浦

2.激光脈沖泵浦

三、染料激光器的調諧

四、半導體的能帶和產生受激輻射的條件

五、PN結和粒子數反轉

六、半導體激光器的工作原理和閾值條件

七、同質結和異質結半導體激光器

八、準分子激光器 本節課教學手段：

采用多媒體形式

通過討論讓學生明白各種激光器的特點及優缺點。

激光在信息技術中的應用

本節課教學目標：

激光在信息領域的應用，包括以激光為信息載體，將聲音、圖象、數據等各種信息通過激光傳送出去，或者通過激光將信息存儲在光學存儲器里，以及通過激光將信息打印或顯示出來，等等。本節介紹激光通信、激光顯示、激光存儲等領域的技術和應用，讓學生了解到激光在上述各方面應用的新思想、新概念、新技術、新進展。

本節課教學內容：

一、光纖通信系統中的激光器和放大器

1．半導體激光器 2．光纖激光器 3．光放大器

二、激光全息三維顯示

1．全息術的歷史回顧

2．激光全息術的基本原理和分類

3．白光再現的全息三維顯示 4．計算全息圖

5．計算全息三維顯示的優點

三、激光存儲技術

1．激光存儲的基本原理、分類及特點

2．激光光盤存儲

3．激光體全息光存儲

4．激光存儲技術的新進展

四、激光掃描和激光打印機

1．激光掃描

2．激光打印機

本節課教學手段：

采用多媒體形式

通過學習讓學生了解到激光在上述各方面應用的新思想、新概念、新技術、新進展。

復習課

本節課教學目標：

系統復習本學期所學習的內容，幫助學生總結本課程的重點、難點及解決問題的辦法。讓學生了解到：在光信息科學與技術知識體系中，激光在信息產生、獲取和處理中均起到重要作用。

本節課教學內容：

重點：輻射半經典理論、光譜線形及加寬機制、增益飽和、閾值條件、連續激光器的穩態建立、諧振腔的穩定條件、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性、等價共焦腔、調Q及鎖模技術原理

難點：增益飽和、諧振腔的衍射理論及高斯光束的解析特性

解決辦法：針對教學內容中的重點和難點內容，采取重點復習，認真閱讀教科書，通過比較多樣化解題方式，并借助上課時發下去的多媒體課件的直觀化，真正理解和掌握重點、難點內容，握激光器運轉的基本物理原理及激光應用技術的理論基礎。為后續專業課程的進一步學習奠定基礎，為今后在光電子學及相關的電子信息科學等領域從事學術研究和教學工作奠定扎實的理論基礎。

本節課教學手段：

借助多媒體課件的直觀化，使學生真正理解和掌握重點、難點內容。