广东工业大学激光原理

课程教案学院、部：_物理与光电工程学院_系、所：光信息科学与技术授课教师：林清华课程名称：激光原理与技术课程学时：46学时实验学时：6学时专业年级：光信息科学与技术04级教材名称：激光原理与应用（陈家璧主编）07年8月20日______激光原理与技术_____课程教案1授课类型：_理论课_授课时间2节授课题目绪论重点讨论光的相干性和光波模式的联系本授课单元教学目标或要求：让学生了解激光科学的形成及发展、理论体系的形成，激光科学的分支及应用；让学生了解“激光”这门课程的性质、特点、难点及学习方法，为学好这门课程打下基础；要求掌握光的波粒二象性的两种描述——光的量子学说以及光的经典电磁理论。光的电磁波的运动规律由麦克斯韦(C.Maxwell)方程决定。讨论的重点是光的相干性和光波模式的联系。本授课单元教学内容：一、激光的发现：最早在1917年——Einstein首次预言受激辐射激光，历史上首先在微波波段实现量子放大（1953），1954年——C.H.Townes,I.P.Gorden,H.J.Zeiger使用NH3分子射束实现Maser向更短波长进发——ammoniabeammaser，1958年——A.L.Schawlow,C.H.Townes,A.M.PoxopoB提出将Maser原理推广到光波段——laser，1960年——T.H.MaimanofBellLab红宝石首次实现laserl=6943Å红光（早期的名称：莱塞、光量子振荡器、光激射器受激光，“激光”——钱学森在1963年提出。61年中国（亚洲）第一台激光器诞生在长春（长春光机所和光机学院），激光科学技术发展的基础学科——光谱学，物理光学，固体物理，物质结构，无线电电子学。推动力——广阔的应用领域：核聚变，加工，热处理，通讯，测距，计量，医疗可调谐性和超短脉冲——高时间、空间分辨、能量分辨。二、激光原理与技术是光信息科学与技术的重要的专业基础课，以四大力学为基础，包括：激光器的基本原理；激光理论——经典、半经典、量子；激光技术的原理——调Q，锁模，放大；激光的应用、产生——迅速发展——广泛的应用——几乎各个领域。三、光的相干性和光波模式的联系（重点）波动的观点——模式、光子的观点——量子状态模式：满足一定初始条件和边界条件的麦克斯韦方程组的每一个解所代表的电磁场振动分布称为一种模式，测不准关系——光子具有一般粒子所特有能量动量，但又不同于经典粒子。位置坐标和动量不能同时准确地测量。（难点）本授课单元教学手段与方法：采用多媒体形式。用电影短片总结性地讲述激光的基本原理及其广泛的应用。由于学生对光的波粒二象性有一定的基础，所以从该点出发，讲述激光的模式、模式数目，光子的观点——海森堡测不准关系，引出光的相干体积与相格的概念，通过计算得出结论：1)相格空间体积=光模体积=光子空间体积=相干体积2)模式、光子的量子状态、相干体积、相格在描写光方面等价。本授课单元思考题：让学生明确：激光原理是光信息科学与技术专业的专业基础课程，本课程在培养具有坚实的数理基础、基础理论、基本知识和基本技能等方面处于核心地位。在光信息科学与技术知识体系中，激光在信息产生、获取和处理中均起到重要作用，故本课程在该专业的课程体系中起主导作用。该课程目标是使学生掌握激光器运转的基本物理原理及激光应用技术的理论基础，为后续专业课程的进一步学习奠定基础，为今后在光电子学及相关的电子信息科学等领域从事学术研究和教学工作奠定扎实的理论基础。熟悉下列概念：模式、测不准关系、相格、相干体积、光子的量子状态、相干性、相干长度。_____激光原理与技术___课程教案2授课类型___理论课___授课时间2节授课题目（教学章节或主题）：原子的能级和辐射跃迁；本授课单元教学目标或要求：理解原子能级和简并度、原子状态的标记；掌握玻尔兹曼分布、辐射跃迁和非辐射跃迁本授课单元教学内容：一、定义（处于同一相空间相格中的光子数、处于一个模式中的光子数、处于相干体积内的光子数）处于同一种量子状态的平均光子数。二、原子状态的标记，例：计算1s和2p态的简并度三、热光源的光子简并度热平衡状态下光源光子简并度，BoseEinstein统计，光子简并度与单色亮度。例：热平衡时，原子能级E2的数密度为n2，下能级E1的数密度为n1，求1)当原子跃迁时相应频率为v＝3000MHz，T＝300K时n2/n1为若干，2)若原子跃迁时发光波长v＝1，n2/n1＝0.1时，则温度T为多高？（重点、难点）四、辐射跃迁——发射或吸收光子从而使原子造成能级间跃迁的现象非辐射跃迁——原子在不同能级跃迁时并不伴随光子的发射和吸收，而是把多余的能量传给了别的原子或吸收别的原子传给它的能量五、讨论（重点）1)光子简并度精辟地说明光源的基本特性2)激光器在提高光子简并度方面有重大突破，提高光子简并度意味着---单色亮度高、单色性好、方向性好、偏振特性好本授课单元教学手段与方法：采用多媒体形式。先复习原子的四个量子数，再对简并、简并度进行定义。讲清对原子组态标记的规定，再引进原子的跃迁选择定则。讲解BoseEinstein统计分布率，阐明在热平衡情况下，处于高能态的粒子数总是小于处于低能态的粒子数的这一规律。做习题加以巩固；最后介绍原子的辐射跃迁和非辐射跃迁。本授课单元思考题、讨论题、作业：熟悉下列概念：原子能级和简并度、玻尔兹曼分布率、辐射跃迁和非辐射跃迁，重点讨论光子简并度和光源的基本特性的联系。作业：思考练习题1——1，1——2，1——4__________激光原理与技术____课程教案3授课类型___理论课______授课时间2节授课题目（教学章节或主题）：光的受激辐射本授课单元教学目标或要求：了解光与物质的相互作用，掌握这种相互作用中的受激辐射过程是激光器的物理基础，根据光与物质的相互作用物理模型分析空腔黑体的热平衡过程，从而导出爱因斯坦三系数之间的关系。本授课单元教学内容：一、经典的辐射理论引用偶极子的概念，反映了光的发射和吸收过程的规律；二、黑体热辐射的实验现象；三、光和物质的相互作用（重点、难点）1.爱因斯坦粒子模型——粒子只有间距为hv=E2－E1(E2＞E1)的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则。2.光频电磁场与物质的三种相互作用过程——(1).自发发射、(2).受激辐射、(3).受激吸收以及各个过程的特点、系数、各系数的物理意义；四、爱因斯坦三系数的相互关系的推导，五、自发辐射功率与受激辐射功率的计算（重点）讨论:创造条件，增大受激辐射程度的方法。例1：(1)普通光源发射＝0.6000m波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体度之比，求此时单色能量密度为若干？(2)在He—Ne激光器中若λ=0.6328m，设μ＝1，求为若干？例2．在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为2×1018cm－3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943m激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命＝10－2s，问自发辐射功率为多少瓦？本授课单元教学手段与方法：采用多媒体形式。先介绍经典的辐射理论引用偶极子的概念，反映了光的发射和吸收过程的规律、再介绍黑体热辐射的实验现象，重点介绍光和物质的相互作用过程、爱因斯坦粒子模型，讲解清楚电磁场与物质的三种相互作用过程的特点、系数、各系数的物理意义。最后导出自发辐射功率与受激辐射功率的计算和比较，做例题加以巩固。引导学生讨论创造怎样的条件，可增大受激辐射程度，达到激光的目的，为下节课的讲解埋下伏笔。本授课单元思考题、讨论题、作业：熟悉下列概念：黑体热辐射、自发发射、受激辐射、受激吸收；爱因斯坦三系数；自发辐射功率与受激辐射功率；讨论:创造条件，增大受激辐射程度的方法。作业：思考练习题1——5，1——8，1——9__________光原理与技术_______课程教案4授课类型___理论课______授课时间2节授课题目：光谱线增宽（1）本授课单元教学目标或要求：了解光谱线型对光与物质的作用的影响，分析引起谱线加宽的各种物理机制,20001自激qqv自激qq并根据不同的物理过程求出g(ν,ν。)的具体函数形式。本授课单元教学内容：一、光谱线，线型和光谱线宽度1．原子辐射的波不是单色的，而是分布在中心频率(E2-E1)/h附近一个很小的频率范围内。2.就每一条光谱线而言，在有限宽度的频率范围内，光强的相对强度也不一样。二、自然增宽（重点）1.经典理论——描述原子内部电子的运动,其物理模型就是按简谐振动或阻尼振动规律运动的电偶极子,称为简谐振子。2．衰减振动不是简谐振动，因此原子辐射的波不是单色的，谱线具有有限宽度。3．自然增宽:作为电偶极子看待的原子作衰减振动而造成的谱线增宽。4．自然增宽的谱线型函数：（难点）5.量子解释——测不准关系，对原子的能级来说，时间的不确定值就是原子的平均寿命，则能级有一定宽度。三、碰撞增宽（重点）1．自然增宽是假设原子彼此孤立并且静止不动所造成的谱线增宽。而碰撞增宽是考虑了发光原子间的相互作用造成的，碰撞使原子发光中断或光波位相发生突变，即使发光波列缩短。2．碰撞增宽的谱线型函数：本授课单元教学手段与方法：采用多媒体形式。先介绍原子在发辐射过程中，各种因素的影响,自发辐射并不是单色的,而是分布在中心频率(E2-E1)/h附近一个很小的频率范围内。引入谱线加宽的概念。定义线型函数为再分析引起谱线加宽的各种物理机制,并根据不同的物理过程求出f（ν）的具体函数形式。本授课单元思考题、讨论题、作业：熟悉下列概念：线型、线型函数、自然增宽、碰撞增宽等；理解、掌握各线型函数的具体内容和表达式。作业：思考练习题1——41——5激光原理与技术____课程教案5授课类型___理论课______授课时间2节授课题目（教学章节或主题）：光谱线增宽（2）、激光形成的条件；本授课单元教学目标或要求：220)2()(2)(NNNνννννf220)2()(2)(cccνννννfd)()()()(0IIIIf了解原子(分子)之间的无规碰撞是引起谱线加宽的另一重要原因，分析碰撞过程对谱线加宽的影响、了解多普勒(Doppler)加宽是由于作热运动的发光原子(分子)所发出的辐射的多普勒频移引起的。了解实际的光谱线型是均匀增宽线型和非均匀增宽线型的迭加。掌握产生激光的基本条件——激发射占优势、产生激光必须具备的三个条件；本授课单元教学内容：一、碰撞增宽——考虑了发光原子间的相互作用造成的，碰撞使原子发光中断或光波位相发生突变，即使发光波列缩短所造成的谱线增宽。（难点）二、多普勒增宽——光源与接收器相对运动引起的频移导致的谱线增宽。三、介质中光的受激辐射放大（重点、难点）1.要能形成激光，首先必须使介质中的受激辐射大于受激吸收。2.光束在介质中的传播规律3.介质中产生受激光放大的条件、增益介质与增益系数。四、光学谐振腔和阈值条件1.满足了以上两个条件后，还要采取什么措施使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程，而不是自发辐射？2.要使受激辐射几率远大于自发辐射几率，3.学谐振腔的作用；4．产生激光必须具备的条件（重点）（1）激励能源——把介质中的粒子不断地由低能级抽运到高能级去（2）增益介质——能在外界激励能源的作用下形成粒子数密度反转分布状态本授课单元教学手段与方法：采用多媒体形式。先介绍在气体物质中,大量原子(分子)处于无规热运动状态,当两个原子相遇而处于足够接近的位置时(或子与器壁相碰时),原子间的相互作用足以改变原子原来的运动状态，分析碰撞过程对谱线加宽的影响。再简述多普勒效应的某些概念，分析普勒加宽是由于作热运动的发光原子(分子)所发出的辐射的多普勒频移引起的。然后给出多普勒加宽线型函数。介绍光放大的条件——集居数反转。一定的条件下物质的光吸收可以转化为自己的对立面——光放大；引进光放大物质的增益系数与增益曲线；再介绍自激振荡概念，以及激光器应包括光放大器和光谐振腔两