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1、激光技术课程设计Curriculum design of Laser Technology课程编号：（03460047）学分：2学时：2周先修课程：光学普通物理原子物理激光原理与技术适用专业：光电信息科学与工程教材：自编讲义一、课程性质与课程目标（一）课程性质激光技术课程设计是光信息科学与技术专业学生在激光原理与技术课程学习、专业生 产实习之后的一个重要实践性教学环节。通过本课程的学习，培养学生综合运用所学基本理论和实 践知识设计典型激光器系统的能力，使学生掌握激光器各种特性测试的设计方法，掌握激光器的工 作基本原理及其特性的理论分析方法，为以后毕业设计和从事激光技术实际工作打下基础。因此，
2、可以说激光原理的必修课程设计，是培养高素质应用型人才的实践教学环节之一。（二）课程目标课程目标1:能够对典型激光器结构的深入研究，掌握典型激光器各种特性测试的设计方法，提 出合理的激光器结构的设计方案，并进行初步的方案可行性分析与论证。课程目标2：能够运用计算方法和工具（Matlab软件）解决模拟出激光器的特性（不同谐振腔 自再现模的形成过程、激光光束等），进而对激光器的实验工作理论指导。课程目标3：能够从激光器的设计、激光器的结构、以及激光器的仿真结果等不同角度进行分 析与协作，使学生具备团队合作意识及在团队合作中发挥作用的能力，为以后毕业设计和从事激光 技术实际工作打下基础。课程目标4：能
3、够以激光器的设计、激光器的结构、以及激光器的仿真结果等形式，对激光器 的各种特征参数或激光器的设计方案进行有效的口头陈述发言和沟通。（三）课程目标与专业毕业要求指标点的对应关系本课程支撑专业培养计划中毕业要求3、毕业要求4和毕业要求5：1 .毕业要求3-2：能够设计满足特定需求的光电信息系统、单元（部件）或工艺流程，并能够 体现创新意识。占该指标点达成度的30%；2 .毕业要求4-1：能够对光电信息科学与工程相关的各类物理现象、光电特性进行研究和实验 验证。占该指标点达成度的35%；3 .毕业要求5-2：能够初步运用现代信息技术工具对光电信息科学与工程问题进行预测与模拟, 并了解其局限性。占该
4、指标点达成度的35%；目标 毕业要求指焉晓课程目标1课程目标2课程目标3课程目标4毕业要求3-2V毕业要求4-1VV毕业要求5-2V二、设计课程内容与教学要求教学要求：学生在掌握激光器的工作基本原理及其特性的理论分析方法的基础之上，能够提出合理的激光 器结构的设计方案，并运用计算方法和工具（Matlab软件、LabView软件）解决模拟出激光器的特 性（不同谐振腔自再现模的形成过程，激光光束等），进而对激光器的实验工作理论指导，同时，为 以后毕业设计和从事激光技术实际工作打下基础设计课程内容：第01部分 谐振腔自再现模迭代解法内容：激光器谐振腔内的模式计算是提高激光器输出光束质量和应用自适应光
5、学系统校正腔内 像差的前提和基础。在理论分析的基础上，着重采用数值迭代解法（Fox-Li方法即福克斯和厉鼎毅 迭代法）计算平行平面腔（F-P腔）在初始光场，三阶梯分布条件下自再现模的光场振幅的分布。 用数学软件建模编写计算程序，找到光腔的一个自再现模式或横模分布。第02部分 激光的谐振腔的数值模拟内容：谐振腔是激光器的主要构造之一，使激光通过增益物质，实现光的自激振荡。在激光器 出光的过程中，谐振腔内存在许多扰动因素，如腔镜失调、增益介质不均匀、热效应、腔镜变形等, 这些腔内扰动因素都会引起不同程度的腔内像差,带来光束质量的下降和光束能量的降低。在掌握激 光器中被动光学谐振腔的物理概念的基础上
6、，同时，掌握各种具体谐振腔的基本原理，利用计算机 软件模拟光学谐振腔的稳定性条件。第03部分 高斯光束、高斯光束传输变换内容：理解激光激光光束的传输，包括激光光束在空间的传播、振幅的传播和频率的传播以及 掌握传播中的光放大、一次谐波和参数振荡同时，利用高斯光束的复参数表示法和ABCD定律简单 地模拟，基模高斯光束在自由空间和通过近轴光学元件的传输变换。第04部分 泵浦电路仿真研究内容：要使泵浦激光器输出光具有较强的稳定性，首先要有功率自动控制电路和良好的电流驱 动电路。APC控制原理：将驱动电流经过电阻形成电压，将电压信号连接到驱动源的反向端形成反馈对输出光功率进行很好地控制。另一方面，由于温
7、度、湿度及器件内部老化造成的驱动波动，也 可以通过APC电路改变反馈电压，从而稳定驱动激光器的电流，最终稳定光源功率输出。希望利用 计算机软件模拟激光器的泵浦电路。第05部分 调Q激光器激光脉冲时间特性内容：激光器调Q技术是为压缩激光器输出脉冲宽度和提高脉冲峰值功率而采取的一种特殊技 术；这种技术的基础是一种特殊的关键元件快速腔内光开关，一般称为激光调Q开关，或简称为 Q开关。共振腔的Q值大小，是由腔内损耗和反射镜光学反馈能力两个因素所决定的；Q值愈高，所 需要的泵浦阈值就越低，亦即激光愈容易起振。在一般的脉冲固体激光器的情况下，若不采用特殊 的技术措施，脉冲激光在腔内的振荡持续时间，与光泵脉
8、冲时间（毫秒量级左右）大致相同，因此 输出激光的脉冲功率水平亦总是有限的。希望利用计算机软件模拟调Q激光器脉冲时间特性。第06部分 三能级以及四能级的速率方程数值解法内容：三能级激光器中，获得中间能态和基态间粒子数反转的效率不是很高。因为在开始抽运 时中间能态（即亚稳态）实际是空的，最低限度要将基态粒子数的半数抽运到中间态才可实现粒子 数反转。此外，供给抽运的闪光伍灯对电能只有一小部分成为抽运光子。所以要用强抽运光，通常 采用脉冲工作。同时，了解四能级的速率方程和模拟该方程。第07部分 脉冲激光放大器的输出能量及增益的数值求解内容：激光放大器是指利用光的受激辐射进行光的能量（功率）放大的器件。
9、通过采用激光放大 器，可以在获得高的激光能量或功率时而又保持激光的质量（包括脉宽、线宽、偏振特性等）。常用 于可控核聚变、核爆模拟、超远激光测距等重大技术中的高功率激光系统。因此，我需要利用计算 软件模拟脉冲激光放大器的输出能量及增益。第08部分 激光光束计算机模拟内容：激光光束质量是激光器的一个重要技术指标，是从质的方面来评价激光的特性激光光束 的光束质量评价参数包括远场发散角、聚焦光斑尺寸、衍射极限倍数、M2因子等，因此，希望利用 数学软件模拟激光光束。注：1.设计内容可根据教学实际情况新增或减少；.设计内容的每一部分选题之下可以分出若干个子课题，子课题可作为课程设计内容；2 .学生自己也
10、可以自拟设计题目，自拟题目必须与课程负责人商量决定。三、学时分配及教学方法学时分配和设计安排课程设计计 划教学形式及时间分配（天数）主要教学方法支撑的课程目标课堂 教学课程 实践小 计设计准备11讲授、讨论目标3设计实施1111讨论、指导目标1、目标2难点答疑11讨论、指导目标1、目标2总结答辩11讨论、指导目标4合计21214注：1.设计准备1天：为每名学生下达具体设计任务书，教师讲解部分题目和设计要求；.设计实施11天（包括一次集中难点解答0.5 - 1天）：理论计算可用计算机辅助完成，设计方案所提出的要求在实验室条件允许时可以进行实际验证;.总结答辩1天：学生完成设计合格后进行答辩。四
11、考核方式（一）课程设计考核方法及成绩评定1.出勤、学习表现占20%；2,设计方案的设计水平 占30%；3.课程设计论文内容、结果及规范程度 占30%；4,答辩占20%。总成绩按优、良、中、及格不及格五级分制给出。（二）非技术性指标评分表评价指标考核形式评分标准100-90 分90-80 分80-70 分70-60 分60分以下充分理解任理解任务分理解任务分基本理解任基本理解任务分工、有详工、有较详细工、有工作务工、有初步务工、无工细工作计划、的工作计划、计划、在团工作计划、在作计划、在课程目标3：平时成绩能独立按计能独立按计队成员帮助团队成员帮团队成员帮团队合作划完成设计划完成设计下，能按计助
12、下，基本能助下，尚无任务、对团队任务、对团队划完成团队完成团队分法完成团队任务完成有任务完成有分配的设计配的设计任分配的设计重要贡献较大贡献任务务任务课程目标4： 沟通表达答辩成绩能正确、充分 地表达设计 思想、回答问 题正确能正确表达 设计思想、回 答问题正确能较正确地 表达设计思 想、回答问 题基本正确能表达设计 思想、经启发 后回答问题 基本正确不能表达设 计思想、经 启发后尚无 法正确回答 问题五、课程目标达成度评价1.出勤、学习表现占20%；2,设计方案的设计水平 占30%；3.课程设计论文内容、结果及规范程度 占30%；4,答辩占20%。总成绩按优、良、中、及格不及格五级分制给出。
13、课程目标达成度计算表如下:课程目标对应考核形式实际评测结果（学生达到的平均水平）对应总分达成度课程目标1设计成绩方案设计和论证均分义10%X60%10x60%=6达成度=实际 测评结果/对 应总分课程目标2设计成绩激光器的结构设计成绩平均分 X 40% X 60%+激光器仿真结 果成绩平均分X 40% X 60%+ 课程设计报告成绩平均分X 10%X60%90x60%=54达成度=实际 测评结果/对 应总分课程目标3平时成绩（考勤成绩平均分+团队合作 表现平均分）x30%30达成度二实际 测评结果/对 应总分课程目标4答辩成绩答辩成绩平均分xl 0%10达成度=实际 测评结果/对 应总分七、参
14、考书目及学习资料1激光原理，周炳琨编著，国防工业出版社，2009年激光实验，黄植文主编，北京大学出版社，1996年3激光光学，吕百达编著，高等教育出版社，2003年 激光物理基础，王雨三等编著，哈尔滨工业大学出版社，2005年5激光原理与技术，杨克成，华中科技大学出版社，2000.6MATLAB基础教程，薛山编著，清华大学出版社，2011八、大纲说明（内容可包括实验内容与基本要求、习题要求及其它一些必要的说明）;1 .学生在课程设计前应学完全部的基础理论课、专业基础课和专业课，时间上可安排在毕业设 计前进行。2 .评分时注意区别工作量多少、题目难易、创新能力、独立完成情况等进行综合考虑，对有独 特见解者，其他方面无大的原则问题，可评为“优秀”。3 .存在下列情况之一：缺勤累积超过课程设计总时间1/3以上者、抄袭或代做、未完成设计任务、严重违纪者，视为无效设计，不予评定成绩。2017年10 月 1日