激光原理与技术教案

教师教案（2010—2011学年第2学期)课程名称：激光原理与技术授课学时：64授课班级：光电工程与光通信任课教师：余学才教师职称：教授教师所在学院：光电信息学院电子科技大学教务处课程名称激光原理与技术授课专业光通信光电信息班级课程编号修课人数80课程类型必修公共基础课()；学科基础课()；专业核心课()选修专业选修()；任选课（）；公选课()；理论课()；实践课()授课方式课堂讲授为主（）；实验为主（）；自学为主（）；专题讨论为主（）；其他：是否采用多媒体授课考核方式及成绩构成考试()考查()成绩构成及比例：是否采用双语教学学时分配讲授学时；实验学时；上机学时；习题学时；课程设计学时教材名称作者出版社及出版时间激光原理与技术余学才自编讲义参考书目1.激光原理2.激光技术3.激光原理与技术1.周炳琨2.蓝信钜3.阎吉祥1.国防工业出版社，第5版，2007年第12次印刷2.科学出版社，第2版，2005年第7此印刷3.激光原理与技术，第1版，2008年第4次印刷授课时间第1周——第16周第一章光学谐振腔理论（10学时）第一节激光振荡条件(1学时)一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）了解光波模式的基本概念，掌握激光振荡的增益条件和光学正反馈条件。技能培训：多光束干涉的分析方法。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：激光振荡条件的导出过程难点：对往返一周相位差滞后2π整数倍的理解（往届学生的疑问：为什么不是经过反射镜反射后和出发点相遇相位差滞后2π整数倍？学生容易忽视的问题：光学往返一周等同于几何路径一周）拓宽：和电路振荡器与微波谐振腔比较的异同三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过计算空腔中的光波模式数目得到频谱浓缩的结论，通过减小位数降低模式数目过渡到光学谐振腔；和学生一起推导多光束干涉以获得光学振荡条件-1.列出每一束光束；（2）等比级数的求和；（3）复函数分解振荡条件中第一个条件的三种表述：（1）光学正反馈条件；（2）驻波条件（3）腔长等于半波长整数倍难点解决：（1）导出反射镜反射后和出发点相遇相位差滞后2π整数倍正反馈条件，比较往返一周相位差滞后2π整数倍，第一个条件依赖于出发点位置，第二个条件与出发点无关。（2）通过课堂提示和作业（1）让学生区别光学往返一周和几何路径一周光学正反馈的区别。四、作业练习2.说明振荡条件qkL22为什么又叫驻波条件。当其中一个反射镜有的反射相移时这个公式应该怎样修改？练习3.推导公式（1.1－17）。英语词汇:Laser-lightamplificationbystimulatedemissionofradiation,resonator,opticalcavity,roundtrip五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第二节开放光学球面谐振腔的稳定性（2学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握稳定性判别原理和方法。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：1.稳定性条件的导出过程；2.稳定性条件在不同结构谐振腔中应用。难点：稳定性条件的物理意义三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过讲义中的两个例子说明稳定性条件在不同谐振腔中的应用；通过课堂练习1和练习2加深稳定性条件的应用；练习1证明稳定性条件（1.2－10）与光线初始位置选择无关；练习2证明平凹腔（),21RRR的稳定性条件为LR。强调：谐振腔不稳定时，小增益系数激光器不出光，结合振荡条件引导学生得出：不稳定损耗太大，稳定时损耗很小的结论。四、作业练习3证明凹凸腔（)0,021RR也可能是稳定的，但平凸腔（)0,21RR一定是非稳定的。练习4通过计算R1=R2=2L的共焦腔的往返矩阵元，画出傍轴光线光路。练习5对图1-7所示的谐振腔，如果R=5米，l=1米，F=25cm，用Matlab编程计算往返矩阵，并找出使谐振腔稳定的l1五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）英语词汇：stablecavity，unstablecavity,cofocalcavity六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第三节光学谐振腔的损耗（1学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握光学谐振腔几种损耗术语与概念。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：损耗的几种描述拓宽：Q值在微波腔中-品质因素（微波技术，顾继慧编著，p197），3dB带宽的定义，无源线宽：傅里叶变换的一个例子三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）几种损耗的定义与公式导出，通过课堂讨论：线宽的导出时，连续谱傅里叶变换过程，功率谱的定义，3dB定义交待清楚。四、作业五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写第四节开放谐振腔模式衍射理论（4学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）了解衍射积分理论，掌握基模参数的计算公式，熟悉高阶模的特点。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：自再现积分方程的推导，共焦腔积分方程的分离变量，厄密-高斯解的特点难点：自再现概念，近似条件拓展：菲涅尔衍射积分方程三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）菲涅尔衍射积分方程的回顾，积分核的近似，相位因子和振幅因子不同近似，基模场和高阶模场的分布特点，等相位面的分布。通过课堂讨论建立自在现模积分方程、建立等相位面方程。英语词汇：selfconstruction四、作业练习1讨论（1.4－6）的近似条件，说明振幅近似条件和相位近似条件的不同练习1证明（1.4－18）式五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第五节一般球面稳定腔模式（1学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用，技能训练、能力培养的要求等）掌握一般球面稳定腔的模式共焦参数的求解方法，能够灵活自在现高斯光束的求解方法。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：一般球面腔与共焦腔的等价性难点：等价的含义，横模等价，纵模不等价。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）课堂讨论建立方程（1.5.2）、（1.5.3）、（1.5.4）、（1.5.5）、（1.5.9）结合第一节的振荡条件四、作业练习1证明（1.5－3）式五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第六节非稳腔（1学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握共轭像点的计算公式，了解虚共焦望远镜腔。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：虚共焦望远镜腔.其中共轭像点稳定性的公式，上届有学生反映看不懂。必须在课堂上推导。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）通过课堂讨论建立共轭像点及其稳定性方程。四、作业五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第二章高斯光束及其特性（10学时）第一节基模高斯光束（3学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）掌握高斯光束q参数的表达式、能够熟练应用ABCD定律，了解傍轴近似的物理意义和数学含义。了解高斯光束和球面波的区别和联系高斯光束在线性光学系统中的变换、掌握高斯光束的自再现变换与稳定球面腔模式的关系。二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）重点：高斯光束q参数、高斯光束等相位面、光斑半径、ABCD定律，自再现高斯光束和球面谐振腔的关系。难点：ABCD定律的证明深化：傍轴近似三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）由傍轴近似得到高斯光束解数学过程要讲解完整，使学生建立高斯光束的数学依据，并由此自然引出q参数。ABCD证明过程要讲解完整，强调光线和波阵面关系。讲清高斯光束自再现含义：波阵面重合，场分布相同。球面稳定腔自再现高斯光束的公式和等效共焦腔的公式比较。设立课程设计：分析图2-8所示的谢振腔的稳定性和自在线高斯光束。要求:追踪光线在谐振腔内的轨迹、求自再现高斯光束和非自在线高斯光束在腔内的光斑半径，画出光斑半径轨迹，验证自在现四、作业练习1，联系2五、参考资料（应列出学生学习的参考书目，可根据课程自身的特点选择是否填写或者是否每章都填写）六、教学后记（教学后记的内容包括教学计划的执行情况,效果如何,有什么经验教训,原因是什么,应如何改进等等；应该在该章（节）教学活动结束后填写）第二节高阶高斯光束（1学时）一、教学内容及要求（按节或知识点分配学时，要求反映知识的深度、广度，对知识点的掌握程度（了解、理解、掌握、灵活运用），技能训练、能力培养的要求等）了解拉盖尔-高斯光束和厄米-高斯光束二、教学重点、难点及解决办法（分别列出教学重点、难点，包括教学方式、教学手段的选择及教学过程中应注意的问题；哪些内容要深化，那些内容要拓宽等等）了解在某些情况下，需要设计到高阶高斯光束。三、教学设计（如何讲授本章内容，尤其是重点、难点内容的设计、构思）简单介绍高阶高斯光束的数学解，以光纤波导耦合为例子说明如何涉及到高斯光束。通过课堂讨论建立共轭像点及其稳定性方程。四、作业五、参考资