激光原理大纲

2016-12-28 教学反思阅读：

激光原理大纲【一】:激光原理教学大纲

《激光原理及技术》教学大纲

一、课程基本信息

1、课程名称：激光原理及技术全称（英文）The principle and technology of laser 2、课程代码：B1309061

3、课程管理：数理学院应用物理学教研室 4、教学对象：应用物理学专业

5、教学时数：总时数48学时，其中理论教学48学时，实验实训0学时。 6、课程学分：3

7、课程性质：专业选修课 8、课程衔接：

（1）先修课程：原子物理

（2）后续课程：光电探测及信号处理

二、课程简介

《激光原理与技术》是高等院校光信息科学与技术专业的一门具有核心地位的、极其重要的专业基础课程。在国外这门课程是多数理工科专业的必修课程。《激光原理与技术》在相关专业的教学活动中起到承上启下的作用，该课程的发展与激光物理及激光技术的发展密切相关。

三、教学内容及要求

第一章辐射理论概要与激光产生的条件（一）教学目标

通过本章节的学习，培养学生抽象思维能力，能运用简单的物理思想去分析问题，掌握辐射理论的基本知识，了解几种增宽的物理思想。（二）教学节次及要求

第一节光的波粒二象性

1、了解光的波粒二象性的物理含义第二节原子的能级和辐射跃迁 1、掌握原子能级及简并度 2、掌握原子能及的标度方法第三节光的受激辐射 1、掌握黑体辐射公式

2、掌握三种辐射计辐射系数之间的关系第四节光谱线增宽

1、掌握三种增宽的物理含义第五节激光形成的条件

1、掌握介质中光的受激辐射放大原理（三）教学重点与难点 1、黑体辐射 2、三种增宽

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 5学时

第二章激光器的工作原理（一）教学目标

掌握光学谐振腔结构与稳定性原理，速率方程组与粒子数反转分布，激光器的损耗与阈值条件等知识。

（二）教学节次及要求

第一节光学谐振腔结构与稳定性 1、掌握稳定图的应用

第二节速率方程组与粒子数反转 1、掌握速率方程组

2、掌握稳态工作时的粒子数密度反转分布。第三节均匀增宽介质的增益系数和增益饱和 1、掌握均匀增宽介质的增益系数第四节非均匀增宽介质的增益饱和

1、掌握介质在小信号时的粒子数密度反转分布值计算 2、了解非均匀增宽型介质稳态粒子数密度反转分布第五节激光器的损耗

1、掌握激光谐振腔内形成稳定光强的过程 2、掌握阈值条件

（三）教学重点与难点 1、速率方程组

2、

均匀增宽介质的增益系数和增益饱和（四）教学方法与手段课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 5学时

第三章激光器的输出特性（一）教学目标

掌握光学谐振腔的衍射理论；对称共焦腔内外的光场分布；高斯光束的传播特性；稳定球面腔的光束传播特性；激光器的输出功率；激光器的线宽极限等问题。

（二）教学节次及要求）

第一节光学谐振腔的衍射理论 1、了解菲涅耳第二节对称共焦腔内外的光场分布 1、掌握共焦腔镜面上的场分布第三节高斯光束的传播特性 1、高斯光束的振幅和强度分布 2、了解高斯光束的相位分布

第四节稳定球面腔的光束传播特性 1、掌握稳定球面腔的等价共焦腔。 2、了解稳定球面腔的光束传播特性。第五节激光器的输出功率

1、掌握均匀增宽型介质激光器的输出功率 2、非均匀增宽型介质激光器的输出功率第六节激光器的线宽极限 1、掌握线宽极限的概念（三）教学重点与难点 1、高斯光束的振幅和强度分布

2、菲涅耳（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 8学时

第四章激光的基本技术

（一）教学目标

掌握激光器输出的选模；激光器的稳频；激光束的变换；激光调制技术；激光偏转技术；激光调Q技术；激光锁模技术。（二）教学节次及要求

第一节激光器输出的选模 1、掌握激光单纵模的选取 2、掌握激光单横模的选取第二节激光器的稳频

1、掌握影响频率稳定的因素

第三节激光束的变换

1、理解高斯光束通过薄透镜时的变换第四节激光调制技术

1、知道激光调制的基本概念 2、掌握三种调制方法第五节激光偏转技术

1、掌握机械偏转、电光偏转、声光偏转的方法第六节激光调q技术 1、知道调q原理 2、掌握三种调q方法

（三）教学重点与难点 1、激光调制技术

2、激光调q技术

（四）教学方法与手段课堂讲授多媒体辅助教学。（五）教学时数 6学时

第五章典型激光器介绍（一）教学目标

在前面理论的基础之上，了解掌握几种典型激光器的种类、原理。（二）教学节次及要求第一节固体激光器

1、了解固体激光器的基本结构与工作物质

第二节气体激光器

1、掌握氦-氖(he-ne)激光器、二氧化碳激光器、ar＋离子激光器的工作原理第三节染料激光器

1、掌握染料激光器的激发机理

第四节半导体激光器

1、掌握半导体的能带和产生受激辐射的条件

第五节其他激光器

1、掌握准分子激光器、自由电子激光器、化学激光器的原理（三）教学重点与难点 1、固体激光器、气体激光器 2、染料激光器

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 5学时

第六章激光在精密测量中的应用（一）教学目标

了解激光在精密测量中的应用，会进行相关计算。（二）教学节次及要求第一节激光干涉测长 1、了解干涉测长的基本原理第二节激光衍射测量 1、掌握激光衍射测量原理第三节激光测距

1、掌握激光脉冲测距、激光相位测距的基本原理第四节激光准直及多自由度测量 1、掌握激光准直仪的工作原理第五节激光多普勒测速

1、掌握激光多普勒测速技术的应用（三）教学重点与难点 1、激光干涉测长 2、激光衍射测量

（四）教学方法与手段课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 5学时

第七章激光加工技术（一）教学目标

在前面理论的基础之上，了解掌握几种激光在机械加工中的应用。（二）教学节次及要求第一节激光热加工原理 1、了解激光器热加工原理第二节激光表面改性技术

1、掌握激光淬火技术的原理与应用第三节激光去除材料技术

1、掌握染料激光器的激发机理第四节半导体激光器

1、掌握激光打孔、激光切割的原理

第四节激光快速成型技术

1、掌握激光快速成型技术的原理及主要优点（三）教学重点与难点 1、激光热加工原理 2、激光去除材料技术（四）教学方法与手段课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 5学时

第八章激光在医学中的应用（一）教学目标

在前面理论的基础之上，了解掌握几种激光在医学上的应用。（二）教学节次及要求

第一节激光与生物体的相互作用 1、了解生物体的光学特性

第二节激光在临床治疗中的应用

1、掌握激光临床治疗的种类与现状

第三节激光在生物体检测及诊断中的应用

1、掌握利用激光的生物体光谱测量及诊断原理第四节医用激光设备

1、掌握医用激光光源

第五节激光应用于医学的未来 1、掌握医用激光新技术（三）教学重点与难点

1、激光与生物体的相互作用 2、医用激光设备

（四）教学方法与手段课堂讲授、多媒体辅助教学。（五）教学时数 5学时

四、实践环节

无

五、课程时数分配表

（一）总体学时分配

激光原理大纲【二】: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。用爱因斯坦关系说明，就是光子简并度在电子学频段大于1，而在光波段小于1，这是原理上决定的。所以打破这一光频载波的障碍，必须在根本原理上有所革命，这就是为了阐述诞生激光的思想。

模式谱密度、光子态谱密度就是从光子波动性、粒子性两个侧面来引出光子的相干性问题。这两个概念是等价的，前者适于研究传播问题，后者适于研究光与物质相互作用。不考公式推导，考理解。但你至少会写模式谱密度表达式吧。书上高单色性、高方向性、高瞬时性、高相干性，精简一下，背好。

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第二章：光腔损耗类型大概看看就行。

为什么前面用传输矩阵求了一边稳定腔条件，后面又用自再现模波场又求一遍？和第一章类似，等于是用几何光学、波动光学两种方法解释同一个问题。（但是这两种显然都不是什么优美的方法。A.Yariv著的《Quantum electronics 》有个微分方程的解法，比积分方程简单多了，也用不到什么切比雪夫多项式。）稳定条件、光强稳定图记好，本征光束自己推推，复曲率半径那堆公式最好背背，能说清每一项的物理意义；会画方形镜、圆形镜不同模式的光斑（m、n对应谁千万别弄错了！mn对应方：横纵，圆：角径切几刀）；高斯光束的透镜变换最好会算，但考的概率很小；但要知道聚焦、准直的透镜系统怎么摆，说明衍射倍率因子M^2的意义。

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第三章：电偶极子近似模型不用看，但是极化率实部、虚部的物理意义一定要清楚，记一下色散关系曲线，和第四章模式牵引有联系。

本章的精髓就是均匀加宽、非均匀加宽的原因和类型。自己总结一下。

均匀洛伦兹线型：自然、碰撞（弹、非弹），固：晶格振动（自然加宽小）。非均匀高斯线型：多普勒，固：晶格缺陷

不要求会公式，但你至少会多普勒频移吧？出画图题，烧孔位置搞清楚！综合加宽不用看。

激光三能级跃迁方程很可能考默写！基本会画图就会写，光子数密度方程别漏了！四能级跃迁方程的考默，发射截面物理意义？单位体积内有一个反转粒子时的增益系数。吸收截面？自己想

不要说推导好复杂看不懂，概念概念概念！

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第四章：杂

阈值增益（就是损耗），阈值反转粒子数密度、光子数方程稳态解（不要求背）。连续泵浦下出现脉冲振荡的阶段分析（画图说明）。

模式竞争（过程画图分析，结果意义？）、

空间烧孔（成因？如何消除？气体、行波腔）、

多纵模振荡（纵模数目？好处？不限制模式数的情况下，充分利用介质增益，大功率输出。如何防止？短腔、色散腔、干涉子腔、行波腔，选择性损耗法）。兰姆凹陷成因？用途？

频率牵引的成因？增益介质反常色散。画图详细说明！

差不多这些。

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第五章前面将激光器，后面讲技术。我建议你先看技术，再看激光器。从调Q开始，原理，电光声光染料，腔倒空的过程和优点

锁模原理（比较多光束干涉），主动、被动、同步、自锁模

稳频兰姆、反兰姆

单模激光：出单纵模、基横模的技术

激光器挑固体、气体激光器大概看看就行了，有起码的概念

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说这么具体了，接下来每天好好看书就行了，看书一定要融会贯通，看着这想着那儿，多总结。要是看了这篇指导、踏踏实实复习了还考不了90+，那就真没天理了，（太对不起我了））

面试的问题都是专业课，别准备什么英语自我介绍了，浪费感情。进去坐下抽一道英文题，抽一道中文题。念一遍题，念同时就想，立刻作答。都是相干条件、色散、完善成像、内外光电效应、空间频率和频率的区别、粒子数反转等等这种非常非常基础的问题。老师会就你的回答追问一个问题，所以专业英语

的词汇量还是要有的，（我当时都没反应过来prism是啥米）。英文题考虑到语言障碍，不会太难，意思到了就会放过你了。

中文题内容上难一些，是那种貌似很简单，但你要答出深刻的物理思想。我事后想了想，之前就是准备了也没用，那种深度你再怎么看书也是学不到的，因为所有的书都错了，或者都没有。我说真的，杨sir当时的四句话，我理解了足足一年，现在才略有所悟。所以„„非常牛。当时如果不是因为我初试第一、口语不错，有别的老师给我圆场，真就糗大了。所以态度一定要好！要尽力想，答不出来就虚心请教老师，老师说什么，你听懂听不懂都不要再问了，要恍然大悟一样说“噢~~！”态度决定一切啊~ ~

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所以没有什么内部资料，什么外校本校，大家起点都一样。