1、北京工业大学 “激光原理”课程教学大纲 英文名称：Principle of laser 课程编号：0000246 课程类型：学科基础必修课 学时：56 学分：3.5 适用对象：本科生 先修课程：高等数学(I)-1 、 高等数学(I)-2 、普通物理 I-1、 普通物理 I-2、光学 I 使用教材： 激光原理与激光技术 ，俞宽新等编著，北 京工业大学出版社， 1998年 3 月 参考书：激光原理（第五版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2004 年 8 月 一、 课程性质、目的和任务 激光原理是应用物理专业（光通信与光电子 技术）本科生的学科基础必修课，在学习过公共基础必修课高等数学(I)-1
2、、 高等数学(I)-2 、普通物理 I-1、普通物理 I-2和学科基础必修课光学 I等课程以后开设。它又是本专业限选课晶体光学 、 光电子学 、 光纤通信原理 、 信息光学和实践环节课程专业物理实验-1、专业物理实验-2等所必须的先修课。 本课程旨在使学生掌握激光器发光的机理、条件及性 质；光学谐振腔及其产生的高斯光束的基本性质；激光巨脉冲技术如调 Q 技术和锁模技术等基本理论与基本技术。通过课堂教学和课外作业培养学生分析和解决实际问题的能力，为后续专业课程的学习打下必须的基础，并为学生将来从事光通信与光电子技术的科研、教学和生产等任务打下坚实的基础。 二、课程教学内容及要求 第一章 激光基本
3、原理 内容与要求： 光相干性：理解光源的时间、空间相干性的概念2；掌握相干长度、相干时间、相干面积与光源单色性参数的计算1。 无源腔损耗：掌握无源腔平均单程损耗率包括输出、衍射损耗的计算1；掌握腔寿命的计算1；掌握腔Q值的计算1；掌握无源腔内光强的计算1。 本征纵模线宽：掌握无源腔本征纵模的频率间隔与线宽的计算1。 菲涅耳数：掌握谐振腔菲涅耳数计算方法与意义1。 光波模式：理解单色模式密度的概念2；理解光波纵模与横模的物理意义2；理解光子态与光波模式的关系2。 跃迁：理解自发辐射、受激辐射、受激吸收跃迁的概念及跃迁几率的意义2；理解爱因斯坦系数与跃迁几率间的关系2。 激光基本知识：理解激光产生
4、的条件2；掌握激光器结构1；理解三能级和四能级系统2。 激光特性：理解激光的单色性好、相干性好、方向性好、亮度高等特性2。 重点： 光相干性、无源腔损耗、本征纵模线宽、菲涅耳数。 难点： 光相干性、光波模式、无源腔损耗。 第二章 辐射场与物质的相互作用 内容与要求： 光学多普勒效应：掌握多普勒效应的频移计算1；掌握表观中心频率与共振速度的计算1。 谱线加宽：理解自然加宽、碰撞加宽、多普勒加宽的机理2； 均匀加宽和非均匀加宽：理解均匀加宽与非均匀加宽概念上的区别2。 线型函数：理解线型函数的概念2；掌握均匀加宽的洛伦兹型线型函数与非均匀加宽的高斯线型函数1。 速率方程：理解三能级与四能级系统的速
5、率方程2。 激光理论：了解激光器机理的经典理论、半经典理论 、量子理论、速率方程理论3。 重点：表观中心频率、共振速度、线型函数。 难点：共振速度、线型函数、速率方程 第三章 介质对光的增益 内容与要求： 发射截面：掌握激光介质的发射截面的物理意义与计算方法1；掌握有源腔光强计算1。 小信号反转粒子数：理解小信号反转粒子数的意义与计算方法2。 大信号反转粒子数：理解大信号反转粒子数的意义与计算方法2。 小信号增益系数：掌握均匀加宽与非均匀加宽小信号增益系数的计算1；掌握小信号增益曲线1。 大信号增益系数：理解均匀加宽与非均匀加宽大信号 增益系数的意义与计算方法2；掌握均匀加宽与非均匀加宽大信号
6、增益曲线的饱和下降特点1。 重点： 小信号增益系数、发射截面。 难点：大信号反转粒子数、大信号增益系数。 第四章 连续激光器的稳态工作特性 内容与要求： 激光阈值条件:掌握阈值增益系数和阈值反转粒子数的计算1；掌握激发参量、振荡线宽、起振模式数的计算1。 模式竞争：掌握模式竞争的概念与规律1；理解跳模现象2。 激光输出功率：掌握均匀加宽与非均匀加宽连续激光 器中心频率处的输出功率计算1；掌握均匀加宽激光器的最佳输出功率计算1；理解非均匀加宽气体激光器的兰姆凹陷特点2。 频率牵引：理解频率牵引现象及其产生的原因2；掌握均匀加宽激光器的频率牵引参量的定义与计算1。 激光器线宽极限：了解激光器线宽极
7、限概念与规律3。 重点： 激光阈值条件、激发参量、振荡线宽、起振模式数、激光输出功率。 难点：激光输出功率、频率牵引、激光器线宽极限。 第五章 光学谐振腔的基本概念 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
8、方程。 第六章 平行平面腔 内容与要求： 条形镜平行平面腔腔：理解积分方程的简化方法2；理解积分方程的迭代求解方法2；理解自再现模的特征2。 方形镜平行平面腔：了解积分方程的简化方法3。 圆形镜平行平面腔。了解积分方程的简化方法3。 重点：条形镜平行平面腔腔。 难点： 方形镜平行平面腔、圆形镜平行平面腔。 第七章 稳定球面腔 内容与要求： 方形镜对称共焦腔：掌握横模参数的意义1；掌握腰斑半径、镜面光斑半径的计算1；掌握任意位置处的光斑半径及等相位面曲率半径的计算1；掌握腔谐振频率、模体积、发散角的计算1。 圆形镜对称共焦腔：掌握横模参数的意义1；掌握腰斑半径、镜面光斑半径的计算1；掌握任意位置
9、处的光斑半径及等相位面曲率半径的计算1；掌握腔谐振频率、模体积、发散角的计算1。 一般稳定球面腔：掌握一般稳定腔的等价共焦腔的计算1；掌握平凹腔与对称双凹腔的计算1。 重点： 对称共焦腔、一般稳定球面腔、平凹腔、双凹腔。 难点：一般稳定球面腔。 第八章 高斯光束 内容与要求： 高斯光束的基本性质：掌握高斯光束焦参数与腰斑半径的相互计算1；掌握高斯光束任意位置处光斑半径与等相位面曲率半径的计算1。 q参数及其传输规律：掌握高斯光束q参数的定义和计算1；掌握高斯光束特性参数间的相互转换1；掌握高斯光束q参数的传输规律1。 透镜对高斯光束的变换规律：掌握透镜对高斯光束的变换方法1；掌握像高斯光束的焦
10、参数与腰位置的计算1。 高斯光束的聚焦与准直：掌握高斯光束的聚焦、准直方法1。 高斯光束的匹配：理解高斯光束的匹配概念与方法2。 重点： 高斯光束的基本性质、q 参数及其传输规律、高斯光束各特征参数间相互转换、透镜对高斯光束的变换规律。 难点：q 参数及其传输规律、高斯光束的聚焦与准直、高斯光束的匹配。 第九章 调 Q 技术 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
11、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。 第十章 锁模技术 内容与要求： 锁模基本原理；理解锁模激光器的基本思想和原理2。 锁模激光器的工作特性：掌握锁模激光器的峰值功率、重复频率、重复周期、脉宽的计算1。 锁模激光器：了解声光锁模激光器、染料锁模激光器3。 重点：锁模激光器的工作特性。 难点：锁模基本原理。 三、课程教学基本要求 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：
12、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。 考试形式：一般采用闭卷笔试，题型可以有单选、填空、证明、计算、简答等。本课程属于在非考试周的随堂考试。 四、实践环节 与本课程对应的实践环节有专业物理实验-1 ，属于另一课程。 五、学时分配 学 时 分 配 章 讲课 习题课 实验课 上机课 讨论课 考试 合计 1 6 2 8 2 5 1 6 3 4 4 4 5 1 6 5 3 1 4 6 2 2 7 6 2 8 8 5 1 6 9 4 4 10 4 4 复习考试 2 2 4 合计 46 8 2 56 制定者：俞宽新 执笔 审定者：江竹青 批准者：王丽 校对者：何士雅 教 务 处 2007 年 2 月 25 日
