《激光原理》教案
2024版《激光原理》课件
工作原理
气体激光器的工作原理基于气体放电产生的粒子数反转。当放电管中的工作气体受到电场激励时，气体分子或原 子被激发到高能级，然后通过自发辐射或受激辐射跃迁到低能级，释放出光子。这些光子在谐振腔中来回反射， 不断激发更多的粒子数反转，从而实现光放大和激光输出。
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气体激光器性能特点及应用领域
3
激光产生机制
01
02
03
受激辐射
原子或分子在外部能量作 用下，从高能级向低能级 跃迁，同时发射出与激发 光相同性质的光子。
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粒子数反转
通过泵浦等方式，使得高 能级上的粒子数多于低能 级，形成粒子数反转分布。
光学谐振腔
提供正反馈机制，使得受 激辐射的光在腔内多次反 射、放大，最终形成强光 束输出。
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液体与光纤激光器性能特点及应用领域
液体激光器
主要应用于科研、光谱分析、生物医学等 领域。
VS
光纤激光器
主要应用于工业加工、通信、医疗等领域。
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半导体激光器与量子级联 激光器
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半导体激光器结构及工作原理
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结构
半导体激光器主要由P型半导体、N型半导体以及它们之间的有源层构成。P型和N型半 导体之间形成PN结，是激光器的核心部分。
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准分子激光器
准分子激光器以稀有气体卤化物为工作物质，其输出波长在紫外波段。准分子激光器具有脉 冲能量大、重复频率高等优点，被广泛应用于科研和医疗等领域。
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液体激光器与光纤激光器
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激光原理课程设计
激光原理课程设计一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握激光原理的基本概念、产生机制、传播特性及其应用。
通过本课程的学习，学生将能够：1.描述激光的基本特性，如单色性、相干性和方向性。
2.解释激光产生的物理原理，包括激发态、稳态和放大过程。
3.分析激光的传播规律，如波动方程、干涉和衍射现象。
4.探讨激光在各个领域的应用，如通信、医疗、加工等。
在技能目标方面，学生将能够：1.运用数学方法解决激光相关问题，如波动方程的求解。
2.进行简单的激光实验，如激光器的搭建和特性测量。
3.分析实际应用中的激光问题，如激光通信的原理和系统设计。
在情感态度价值观目标方面，学生将能够：1.认识到激光技术在现代科技发展中的重要地位和作用。
2.培养对激光技术的兴趣和好奇心，激发创新精神。
3.理解激光技术在实际应用中的伦理和安全性问题，具备良好的职业道德素养。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.激光的基本概念：激光的定义、发展历程及特点。
2.激光的产生原理：激发态、稳态和放大过程，激光器的类型及工作原理。
3.激光的传播特性：波动方程、干涉、衍射和偏振现象。
4.激光的调制与检测：调制方式、检测原理及设备。
5.激光应用领域：通信、医疗、加工、科研等。
教学大纲安排如下：第1-2课时：激光的基本概念和发展历程。
第3-4课时：激光的产生原理和激光器类型。
第5-6课时：激光的传播特性及其数学描述。
第7-8课时：激光的调制与检测技术。
第9-10课时：激光在各个领域的应用实例。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法，如讲授法、讨论法、案例分析法和实验法等。
1.讲授法：用于传授激光基本原理和知识，引导学生掌握核心概念。
2.讨论法：鼓励学生就激光技术的热点问题和实际应用展开讨论，培养思辨能力和团队合作精神。
3.案例分析法：分析典型激光应用案例，让学生了解激光技术在实际工程中的应用。
4.实验法：进行激光器搭建和特性测量实验，培养学生的动手能力和实验技能。
激光原理与应用教案
激光原理与应用教案一. 绪论本节课教学目标：让学生了解激光的历史，激光形成及发展、理论体系的形成。
让学生了解激光科学的分支及激光在军事、信息技术、医疗等方面的应用；本节课教学内容：1．激光的概念：激光——利用受激辐射的光放大。
LASER——Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation2．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——ammonia beam maser，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. Maiman of Bell Lab 红宝石首次实现laser l=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），由王之江院士发明。
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。
3．激光与普通光源的区别？（1）良好的单色性。
单色性指光源发射的光波长范围很小，测距。
（2）良好的方向性。
激光的光束几乎只沿着一个方向传输。
测距，通信。
（3）高亮度。
激光功率集中在极小的空间范围内。
切割，手术，军事。
（4）极好的相干性。
各列波在很长的时间内存在恒定的相位差。
精确测距。
4．激光的应用。
（1）信息科学领域。
激光雷达，空间通信。
激光原理教案第1章
《激光原理技术及应用》讲义（第一章）王菲长春理工大学光电工程学院2006年12月参考教材：[1]陈钰清，王静环，激光原理，杭州：浙江大学出版社，1992[2]周炳琨，高以智，陈倜荣等，激光原理（第5版），北京：国防工业出版社，2004[3]沈柯，激光原理教程，北京：北京工业学院出版社，1986[4]吕百达，激光光学，成都：四川大学出版社，1992[5]马养武，陈钰清，激光器件，杭州：浙江大学出版社，1994[6]W.克西奈尔著，孙文等译，固体激光工程，北京：科学出版社，2002[7]兰信钜，激光技术，北京：科学出版社，2000[8]朱林泉，朱苏磊，激光应用技术基础，北京：国防工业出版社，2004[9]李湘银，姚敏玉，李卓等，激光原理技术及应用，哈尔滨：哈工大出版社，2004教学计划(64学时) 引言（1学时）1. 发展史，2.特性；3.产生条件；4.分类第一章激光的物理基础（7学时）1. 光波的模式和光子的量子状态2. 相干体积、光子简并度与黑体辐射3. 自发辐射、受激辐射和受激吸收4. 光谱线宽度及谱线加宽理论第二章激光器的基本工作原理（8学时）1. 粒子数反转分布2. 光场与物质互作用的速率方程理论3. 增益系数及增益饱和4. 连续激光器振荡特性5. 激光的尖峰与弛豫振荡6．脉冲激光器工作特性第三章光学谐振腔（8学时）1. 光学谐振腔的构成和作用2. 光学谐振腔的模式及选模技术3. 光学谐振腔的损耗与表征4. 光学谐振腔的几何光学分析5. 光学谐振腔的衍射理论分析6．光学谐振腔的等价腔分析法7．典型光学谐振腔第四章高斯光束的传输变换与控制（8学时）1. 高斯光束的基本性质2. 高斯光束的传输定律3. 高斯光束在光学系统中的变换4. 光束质量评价方法与测量5. 激光光学系统设计第五章典型激光器（8学时）1. 气体激光器2. 液体激光器3. 半导体激光器4．固体激光器第六章激光技术（10学时）1. 调Q技术2. 锁模技术3. 稳频技术4. 非线性光学频率变换技术5．激光放大技术第七章实验（16学时）1.He-Ne激光器频率分裂、偏振及模式竞争实验（2学时）2.He-Ne激光器的模式分析实验（2学时）3.激光谱线宽度测量实验（扫描共焦球面干涉仪法）（2学时）4.激光特性参数测量实验（波长计/光栅光谱仪）（2学时）5.固体激光介质的荧光寿命测量实验（2学时）6.半导体激光器及其参数测量实验（2学时）7.Nd:YAG激光器实验（2学时）8.CO2激光器实验（2学时）9.光纤激光器实验（2学时）10.声光调Q技术实验（2学时）11.电光调Q技术实验（2学时）12.激光倍频技术实验（2学时）13.锁模激光技术（2学时）14.激光测距实验（2学时）15.激光通信技术实验（2学时）16.激光束传输变换实验（2学时）17.稳频激光技术实验（2学时）引言（学时）一、激光的由来Laser（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）即受激辐射放大，1964年钱学森建议命名为“激光”。
激光原理课程设计副本
激光原理课程设计副本一、教学目标本课程旨在让学生了解和掌握激光原理的基本知识，包括激光的产生、特性、应用等。
通过本课程的学习，学生应能：1.描述激光的产生原理和基本特性。
2.理解激光在各个领域的应用，如通信、医疗、工业等。
3.分析激光技术的发展趋势和挑战。
在技能方面，学生应能：1.运用基本的物理知识解决激光相关问题。
2.进行简单的激光实验，如激光器的搭建和调谐。
在情感态度价值观方面，学生应能：1.认识到激光技术在现代科技发展中的重要性。
2.培养对激光技术的兴趣和好奇心，为其进一步学习和发展奠定基础。
二、教学内容本课程的教学内容主要包括以下几个部分：1.激光的产生原理：介绍激光的产生过程，包括物质的激发、能级跃迁等。
2.激光的基本特性：讲述激光的单色性、方向性、相干性等基本特性。
3.激光的应用：介绍激光在通信、医疗、工业等领域的具体应用。
4.激光技术的发展趋势和挑战：分析当前激光技术的发展状况，探讨未来的发展方向和可能遇到的挑战。
三、教学方法为了提高教学效果，本课程将采用多种教学方法，包括：1.讲授法：用于讲解激光原理的基本概念和理论知识。
2.讨论法：鼓励学生就激光技术的应用和发展进行讨论，提高其思考和表达能力。
3.案例分析法：通过分析具体的激光应用案例，让学生更好地理解激光技术的实际应用。
4.实验法：安排实验室实践环节，让学生亲自动手进行激光实验，增强其实践能力。
四、教学资源为了支持本课程的教学，我们将准备以下教学资源：1.教材：选用权威、实用的激光原理教材，为学生提供系统的学习材料。
2.参考书：推荐一些与激光原理相关的参考书籍，拓展学生的知识视野。
3.多媒体资料：制作精美的PPT课件，生动展示激光原理和应用。
4.实验设备：提供激光器、光谱仪等实验设备，为学生提供实践操作的机会。
五、教学评估本课程的评估方式包括平时表现、作业、考试等多个方面，以全面、客观地评价学生的学习成果。
1.平时表现：通过观察学生在课堂上的参与程度、提问回答等，了解其对激光原理的理解和掌握程度。
激光原理教案第二章
激光原理与技术
1，2两种损耗常称为选择损耗，不同模式的 几何损耗与衍射损耗各不相同。3，4两种称为 非选择损耗，通常情况下它们对各个模式大体 一样。
平均单程损耗因子：如果初始光强为 I0 ，在 无源腔内往返一次后，光强衰减为 I1 ，则
I1 I0e2
1 ln I1 ,
2 I0
为腔中各损耗因子的和
1.22
2a
W1 W1 W0
S1 S1 S0
a L 2 a2 a L 2
激光原理与技术
2L
a
2L
0.61
a2
1.22 a2
1 a2
1 N
L L
D
D
'
1 N
N：菲涅耳数，N愈大，损耗愈小。
激光原理与技术
§2.2共轴球面腔的稳定性条件 一、腔内光线往返传播的矩阵表示
激光原理与技术
0q 称为腔的谐振波长
q
q
c 2L,
q称为腔的谐振频率
当光腔内充满折射率为 的均匀物质时
L, L
q
q
c
2 L,
L q q
2
式中 q 为物质中的谐振波长
本征模式在腔的横截面
内场分布是均匀的，而 沿腔的轴线方向(纵向)形 成驻波，驻波的波节数 由q决定，q单值地决定 模的谐振频率。
激光原理与技术
激光原理与技术
腔与模的关系： 腔内电磁场的本征态应由麦 克斯韦方程组及腔的边界条件决定。不同类型 和结构的谐振腔的模式各不相同。
对闭腔，一般可以通过直接求解微分形式的 麦克斯韦方程组来决定其模式
寻求开腔模式的问题通常归结为求解一定类 型的积分方程。
模的基本特征：模在腔的横截面内的场分 布，模的谐振频率，模在腔内往返的相对功率 损耗；模的光束发散角。
《激光原理》教学大纲
《激光原理》课程教学大纲一、课程基本信息二、课程简介本课程是“光电器件加工”课程模块中的专业核心课程，以培养应用能力突出、能适应工作变化和具有创新素质的学生为目标，在教学内容上，将理论教学与案例教学有机地结合进行知识点讲解，注重培养学生运用基础物理知识分析解决激光相关问题的能力；在教学模式上，采用研讨式的教学模式，注重引导学生对激光技术相关领域的核心问题已有的解决方案进行分析比较，培养学生的问题分析能力。
在培养学生熟练掌握激光器结构、工作原理、调Q技术与锁模技术的基础上，提升学生的综合能力和解决复杂问题的能力，为学生成为新一代技术应用型人才奠定基础。
三、课程目标及对毕业要求（及其指标点）的支撑四、教学内容及进度安排五、课程考核六、教材及参考资料(一)课程教材1.《激光原理及应用》（第3版），陈鹤鸣等编著，电子工业出版社，2017(二)参考教材及网站1.《激光原理》（第7版），周炳琨等编著，国防工业出版社，2014。
2.《激光原理及应用》（第3版），陈家璧等编著，电子工业出版社，2013。
3.《激光原理及技术》，电子科技大学，刘志军等主讲，中国大学慕课。
编写人：审核人：审批人：审批日期：附件：各类考核与评价标准表（1）考试方式及占比：采用闭卷笔试，考试成绩100分，占课程考核成绩的60%。
（2）评定依据：考试成绩的评定根据试卷参考答案和评分标准进行。
（3）考试题型：可以包含单项选择题、填空题、简答题、计算题和设计题。
（4）考试内容：对学生综合运用激光物理的基本概念、基本原理进行问题分析能力的考核，不仅包括对各章节知识点的独立考核，还需要包括综合考虑多种激光器性能与控制的改善方案，实现技术分析和解决复杂工程问题能力的考核。
激光原理专题教案：引领学生探究激光科学的奥秘
激光原理专题教案：引领学生探究激光科学的奥秘
一、教学目标
1.掌握激光的基本原理。
2.理解激光与常见的光的区别。
3.了解激光的应用领域及其在日常生活中的应用。
4.提高学生的科技创新意识。
二、课程设计
1.激光基本原理
（1）什么是激光？
（2）激光的特点
（3）激光工作原理
2.激光与常见光的区别
（1）光线的传播方式
（2）光的色散
（3）光的相干性
3.激光的应用
（1）激光在医疗领域的应用
（2）激光在通讯领域的应用
（3）激光在加工领域的应用
4.激光科技创新
（1）探究激光科技怎样带来发展变化
（2）了解当前激光科技所涉及的最前沿话题
三、教学时长
2-3课时
四、教学方法
1.布置作业，让家长与孩子进行科技创新的探究交流。
2.编写激光科普小册子，让学生在生活中探究激光应用。
3.课堂游戏，让学生更理解激光与常见光的区别。
五、教学重点
1.学生通过激光科普小册子与家长进行探究交流。
2.学生掌握激光基本原理以及激光与常见光的区别。
3.学生了解激光的科技创新以及最前沿话题。
六、教学评价
1.设计学生思维导图，评估学生的学习效果。
2.开展小组讨论，评估学生对激光应用领域的了解程度。
3.组织激光科技创新展览，评估学生的探究能力。
七、预期效果与实现方案
通过本课程的开展，学生可以掌握激光的基本原理，理解激光与常见光的区别，在科技创新领域内打开视野。
本教案采用了让家长参与科普探究等方法，可以推动学生的亲子关系教育，促进家庭教育的整体提升。
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《激光原理》教案
激光原理教案第 2 页
组织教学〗
调节课堂气氛调动学生积极性， 共同创设和谐活跃的课堂气氛
〖导入任务〗
各位同学大家好，欢迎来到“激光原理”课程。
光是我们获取外界信息的源泉，如这张M51星云的天文照片所示，由星体发出光经历3100万年的长途“奔波”
才来到我们的地球，被我们所观察到，3100万年的历史也在光的传播路径上逐渐展开。
通过我们在大学物理课程的基本学习，我们了解到光是我们电磁波谱中的一段，那么除了我们自然中存在的天然光线，有没有与自然光完全不同的人造线呢？这里我们来看一段视频。
任务 播放电影片段
播放电影《星球大战前传2：西斯的复仇》电影片段
任务 提问
任务 激光名称的由来
讲解“激光”名称的由来：“死光”：
引入式教学，发引导学生思考：与众不同的人
造光线？ 学习的目标对象与需要注意的重点：独特特点。
多媒体演示
启发学生思考：自己概念中的激光是什么？
童恩正，《珊瑚岛上的死光》，1978年 “镭射” ：LASER 的音译 • LASER ：
– Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
• 激光：
– 受激辐射光放大
任务 激光名称的由来 讲解激光发明史，将光学的最初发展与近现代物理的相关成就进行展示，讲解对于光的认识的发展历程： 17世纪 惠更斯， 虎克 19世纪 麦克斯韦 19世纪末 电磁场理论
19世纪末 “两朵乌云 1900年 普朗克 “量子” 1905年 普朗克 “光子” 1913年 玻尔 “原子结构” 1917年 爱因斯坦 “受激辐射” 1928年 Landenburg “受激辐射” “负吸收” 1947年 Lamb“氢原子光谱” 1954年 Townes“Maser” 1960年 Maiman “Laser” 着重讲解梅曼的发明历史故事： • 1960年5月，休斯实验室的Maiman 和Lamb 共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm 的红色
激光，这是公认的世界上第一台激光器。
任务 激光器的种类与发明时间
PPT
PPT 提问：器是由哪些部分构成的？引导学生注意激
光器的基本结构。
任务
激光发展现状
简述激光发展的几个方向与重要成果，引发学生对激光的科学思考。
重点讲解未来光子芯片的前景： – 下一代信息技术器件 光处理与光芯片
任务 激光的基本原理
简单讲解激光产生的基本过程，受激辐射与能级跃迁的机理与过程，给学生建立一个基本的物理模型。
着重讲解：粒子数反转过程
1 粒子数正常分布和粒子数布居反转分布
PPT
PPT 板书：过程与激光器
基本结构
原子中处于高能级的电子
,会在外来光子(其频率恰好满足诱发下向低能级跃迁, 并发出与外来光子一样特征的光子,这叫受激辐射.
由受激辐射得到的放大了的光是相干光,称之为激光.
任务 激光应用
讲解激光的具体应用实例，引发学生对激光的具象思维，引起学生的学习兴趣。
着重讲解
讲解激光在量子通讯、量子计算、激光核聚变方面的应用。
PPT
任务结尾
讲解需要主内的课程基础，推荐教材以及推荐参考
书。
先修科目
•几何光学
•物理光学
•量子力学
教材
•《激光原理》（第六版），国防工业出
版社，周炳坤等
参考书目
•《激光技术》，科学出版社，蓝信矩等
编
•《量子电子学》，科学技术出版社，
1983年版 Amnon Yariv，刘颂豪
等译
•《激光原理与激光技术》，北工大出
版社，俞宽新编
•《Solid State Laser Engineering 》
（Sixth Revised and Updated
Edition,WalterKoechner,Springer,
2006 PPT
提问学生是否还有疑问。
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一、粒子数反转过程（多媒体演示） 反转数学方程：
（1）正常分布 （2）反转分布 （3）辐射
二、激光谐振
驻波条件：
激光谐振条件：
2λ
k
l =
课程设计简评
《激光原理绪论》课程设计具体，内容详实，可操作性性强，结合本课题组内的试讲，具有良好的课堂效果。
电子信息学院冯国英
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