湖北省高等教育自学考试大纲
课程名称：激光原理与技术课程代码：7077
第一部分课程性质与目标
一、课程性质与特点
《激光原理与技术》是光机电一体化工程专业的一门主干专业课。本课程主要介绍了激光的基本理论知识、基本技术知识以及激光在计量、加工、信息技术、医学等领域的应用。课程教学以学生掌握激光器的选择和使用为主要目的，了解激光的各种应用的思路和方法。
二、课程目标与基本要求
通过《激光原理与技术》课程的教学，使学生了解和掌握激光器的基本原理和基本技术，了解激光的各种应用的思路和方法，使学生能正确选择和使用激光器，开拓学生理论用于实践的方法和创新思路，
《激光原理与技术》是光信息科学与技术、光机电一体化工程专业的一门专业课，其先修课程主要包括高等数学、大学物理、工程光学。
第二部分考核内容与考核目标
第一章辐射理论概要与激光产生的条件
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 了解光的波粒二象性，掌握光的偏振性、单色光的含义、平面光波的表示法、光强的定义和光子的含义。 2 掌握原子能级和简并度的含义，了解原子状态标记的方法，理解辐射跃迁选择定则，掌握玻尔兹曼分布定律，掌握辐射跃迁和非辐射跃迁的定义和特点。 3 理解黑体辐射的概念和规律，掌握光和物质相互作用时三种基本过程的特点、规律、发生几率，以及三者之间的关系。掌握自发辐射光功率和受激辐射光功率在普通光源和激光器中的大小关系。 4 掌握光谱线、线型、光谱线宽度的概念，理解自然增宽、碰撞增宽、多普勒增宽的原因、展宽线型、增宽大小及其影响因素，理解均匀增宽和非均匀增宽的概念和含义，理解综合增宽的含义。 5 理解光在介质中受激放大的过程和规律，掌握介质中产生激光放大的条件，理解吸收系数和增益系数的概念，掌握光学谐振腔在激光器中的作用和激光阈值条件。 二、考核知识点与考核目标
（一）光的波粒二象性；原子能级；光和物质的作用；光谱线、线型和谱线宽度；激光形成的条件（重点）
识记：光波；辐射跃迁的选择定则；自发辐射、受激辐射、受激吸收。
理解：光波偏振性；光速、频率和波长的关系；单色平面波；光子；原子能级和简并度；自发辐射、受激辐射、受激吸收之间的关系；自发辐射光功率与受激辐射光功率；光谱线、线型和谱线宽度；光学谐振腔的作用；阈值条件。
应用：玻尔兹曼分布；产生受激光放大的条件；增益介质和增益系数。
（二）辐射跃迁；黑体热辐射；自然增宽；碰撞增宽；多普勒增宽；光束在介质中的传播规律（次重点）
识记：辐射跃迁；光谱线的线型函数、宽度；自然增宽；碰撞增宽；多普勒增宽。
理解：黑体热辐射；自然增宽、碰撞增宽以及多普勒增宽的增宽线型、影响增宽的因素；光束在介质中的传播规律。
应用：光束在介质中的传播规律。
（三）原子状态的标记；非辐射跃迁；光谱线增宽的理论解释（一般）
识记：非辐射跃迁。
理解：自然增宽、碰撞增宽以及多普勒增宽的理论解释；均匀增宽和非均匀增宽；综合增宽。
应用：原子态的标记。
第二章激光器的工作原理
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 理解光学谐振腔满足稳定性条件的重要性，掌握稳定性的条件，理解共轴球面腔稳定图和分类，学会稳定图的应用。 2 理解三能级系统和四能级系统的激光工作方式、速率方程组的建立、推导和粒子数密度反转分布的条件；理解激光器在小信号工作时的粒子数密度反转分布情况和在均匀增宽型介质中的粒子数密度反转分布；理解粒子数密度反转分布的饱和效应。 3 理解均匀增宽型介质中的增益系数和增益饱和。 4 理解在非均匀增宽型介质中粒子数密度反转分布规律，理解在非均匀增宽型介质中小信号时的增益系数和稳态情况下的增益饱和及烧孔效应的原理。 5 了解激光器所存在的各种损耗和起因，掌握激光谐振腔内稳定光强的形成过程，掌握激光器的能稳定出光的阈值条件（包括增益阈值，抽运功率阈值等）。了解激光介质能级选取的注意事项。 二、考核知识点与考核目标
（一）谐振腔的稳定性条件；小信号工作时的粒子数密度反转分布；激光器的损耗；激光谐振腔内稳定光强的形成过程；阈值条件（重点）
识记：共轴球面谐振腔的分类；激光器的损耗。
理解：小信号工作时的粒子数密度反转分布条件；激光谐振腔内稳定光强的形成过程；阈值条件。
应用：共轴球面谐振腔的稳定性条件；稳定图的应用。
（二）三能级系统和四能级系统；速率方程组；稳态工作时的粒子数密度反转分布；均匀增宽型介质中的粒子数密度反转分布；均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布的饱和效应；均匀增宽介质的增益系数和增益饱和（次重点）
识记：稳态工作时的粒子数密度反转分布；均匀增宽型介质中的粒子数密度反转分布；均匀增宽介质的增益系数。
理解：三能级系统和四能级系统；均匀增宽型介质的粒子数密度反转分布的饱和效应；均匀增宽介质的增益饱和。
应用：速率方程。
（三）非均匀增宽介质的增益饱和；对介质能级选取的讨论（一般）
识记：非均匀增宽介质在小信号时的粒子数密度反转分布值；非均匀增宽介质的增益系数。
理解：非均匀增宽介质稳态情况下的增益饱和；对介质能级选取的讨论。
第三章激光器的输出特性
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 理解自再现模概念，掌握自再现模的特点。理解自再现模积分方程解的物理意义，理解激光谐振腔的谐振条件，理解激光纵模的特点和含义，掌握纵模频率和频率间隔公式，会分析纵模可能存在的数量。 2 理解方形镜面共焦腔自再现模积分方程的解析解，掌握镜面上自再现模场的特征（振幅分布、相位分布、衍射损耗等）；了解共焦腔中的行波场和腔内外的光场分布。 3 掌握高斯光束的振幅和强度分布、相位分布、远场发散角以及高斯光束的高亮度。 4 理解稳定球面腔的等价共焦腔的含义，了解稳定球面腔的光束传播特性。 5 理解均匀增宽型和非均匀增宽型介质激光器的输出功率以及影响因素；理解兰姆凹陷的形成原因。 6 了解影响激光器线宽的因素。 二、考核知识点与考核目标
（一）激光纵模、横模；高斯光束的传播特性（重点）
识记：激光纵模、激光横模。
理解：高斯光束的强度分布、相位分布、远场发散角；高斯光束的高亮度。
应用：纵模频率间隔；纵模序数；高斯光束的束腰、基模光斑尺寸、远场发散角计算。
（二）对称共焦腔内外的光场分布；稳定球面腔的光束传播特性（次重点）
识记：自再现模；单程衍射损耗；单程相移。
理解：镜面上自再现模场的特征；行波场和腔内外光场分布；稳定球面腔的等价共焦腔；稳定球面腔的光束传播特性。
应用：稳定球面腔的等价共焦腔计算。
（三）光学谐振腔的衍射理论；激光器的输出功率；激光器的线宽极限（一般）
识记：兰姆凹陷。
理解：光学谐振腔的衍射理论；均匀增宽型介质激光器的输出功率；非均匀增宽型介质激光器的输出功率；激光器的线宽极限。
应用：自再现模积分方程。
第四章激光的基本技术
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 了解激光器选模的目的和意义，理解均匀增宽型谱线的纵模竞争，掌握单纵模选取的方法，掌握激光单横模的选取方法。 2 了解激光器频率稳定的衡量方法，掌握影响激光器频率稳定的因素，了解常见的几种稳频的方法。 3 了解高斯光束透过透镜时的变换规律，掌握高斯光束的聚焦、准直、扩束等技术的原理和方法。 4 理解激光调制的概念，了解电光强度调制和电光相位调制。 5 了解实现激光偏转的几种主要途径。 6 理解激光谐振腔的品质因素Q的含义，掌握调Q的原理，了解几种常见调Q的方法。 7 理解激光锁模技术的含义，掌握锁模的原理，了解锁模的2种常见途径。 二、考核知识点与考核目标
（一）激光器输出的选模；激光束的变换；品质因数Q的概念及调Q方法（重点）
识记：单纵模的选取方法；单横模的选取方法；调Q方法。
理解：均匀增宽型谱线的纵模竞争；高斯光束通过透镜时的变换；品质因数Q的概念。
应用：高斯光束的聚焦；高斯光束的准直。
（二）激光调制技术；激光器的稳频（次重点）
识记：电光强度调制和电光相位调制；影响频率稳定的因素；稳频方法。
理解：调制的基本概念。
应用：兰姆凹陷法稳频。
（三）激光偏转技术；激光调Q技术；激光锁模技术（一般）
识记：机械偏转；电光偏转；声光偏转；主动锁模和被动锁模。
理解：电光调Q、声光调Q、染料调Q；锁模原理。
第五章典型激光器介绍
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 了解固体激光器的基本结构，掌握红宝石激光器的特点和机理，了解固体激光器的泵浦系统和输出特性，了解半导体激光器泵浦的固体激光器、可调谐固体激光器和高功率激光器的优缺点及原理。 2 掌握氦氖激光器的结构和工作机理，了解二氧化碳激光器的结构、激发机理和输出特性，了解氩离子激光器的结构、激发机理和工作特性。 3 了解染料激光器的特点、激发机理、调谐原理和泵浦系统。 4 了解半导体激光器中的能带情况和产生受激辐射的条件，掌握PN结的双简并能带结构和粒子数反转条件，掌握半导体激光器的工作原理及阈值条件，了解同质结和异质结半导体激光器的特性。 5 了解准分子激光器、自由电子激光器和化学激光器的特点、基本原理和输出特性。 二、考核知识点与考核目标
（一）固体激光器的基本结构和工作物质；氦氖激光器结构和原理（重点）
识记：固体激光器的基本结构及常用工作物质；氦氖激光器结构。
理解：红宝石固体激光器、氦氖激光器的激发机理。
（二）固体激光器的泵浦系统、输出特性；氦氖激光器的输出特性；二氧化碳激光器结构和原理；氩离子激光器结构和原理；半导体激光器（次重点）
识记：氩离子激光器结构和原理；半导体能带。
理解：固体激光器的泵浦系统、输出特性；氦氖激光器的输出特性；二氧化碳激光器结构和原理；PN结与粒子数反转；半导体激光器工作原理和阈值。
（三）染料激光器；其他激光器（一般）
识记：染料激光器的泵浦；其他激光器。
理解：染料激光器的激发机理。
第六章激光在精密测量中的应用
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 理解激光干涉测长的基本原理、系统组成，了解激光外差干涉测长技术。 2 理解激光衍射测量原理、方法及应用。 3 了解激光测距的特点、基本原理，了解激光相位测距原理。 4 了解激光准直仪的原理和结构，了解激光多自由度测量系统结构和原理。 5 了解激光多普勒测速的原理和应用。 6 了解激光测量角度和角加速度的原理。 7 了解激光环境计量的原理和应用。 二、考核知识点与考核目标
（一）激光干涉测长；激光衍射测量（重点）
识记：激光干涉测长系统的组成；激光衍射测量方法。
理解：激光干涉测长的基本原理；激光衍射测量原理。
应用：激光衍射测量应用。
（二）激光准直；激光测距；激光多普勒测速（次重点）
识记：激光准直；激光测距对光脉冲的要求。
理解：激光测距原理；激光多普勒测速原理。
应用：激光测距计算公式。
（三）；激光测量角度和角加速度；激光环境计量（一般）
识记：激光环境计量。
理解：激光测量角度和角加速度的方法。
第七章激光加工技术
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 理解激光热加工的原理。 2 了解激光淬火技术的原理与应用，了解激光表面熔凝技术和熔覆技术。 3 了解激光打孔和激光切割的原理与特点。 4 了解激光焊接的特点，了解激光热导焊和深熔焊的原理。 5 了解激光快速成型技术的原理、优点及应用，了解激光清洗技术和激光弯曲技术。 二、考核知识点与考核目标
（一）激光热加工原理；激光去除材料技术；激光焊接（重点）
识记：激光去除材料技术；激光焊接。
理解：激光热加工原理。
（二）激光表面改性技术；激光快速成型技术（次重点）
识记：激光快速成型技术。
理解：激光表面改性技术。
（三）其他激光加工技术（一般）
识记：其他激光加工技术。
第八章激光在医学中的应用
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 了解生物体的光学特性，了解激光对生物体的作用和激光在生物体应用的优点。 2 了解激光临床治疗的种类与现状，了解激光在皮肤科及整形外科领域中的应用，了解激光在眼科、泌尿外科、耳鼻喉科中的应用。 3 了解利用激光的生物体光谱测量及诊断，了解激光断层摄影、激光显微镜基本原理。 4 了解医用激光设备（光源、光纤）。 5 了解医用激光新技术和光动力学治疗的前景。 二、考核知识点与考核目标
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
第九章激光在信息技术中的应用
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 了解光纤通信系统中的激光器需满足的要求，了解光纤激光器的基本原理、特点、分类和应用，了解光放大器的原理、种类等。 2 了解激光全息术的基本原理和分类，了解激光全息三维显示的优点、应用及展望。 3 了解激光存储的基本原理、分类及特点，了解激光体全息光存储的特点、原理及应用，了解激光存储的最新进展。 4 了解激光在扫描器和打印机中的应用 二、考核知识点与考核目标
（一）光纤通信系统中的激光器和放大器（重点）
识记：光纤通信系统中的激光器；光放大器。
理解：光纤激光器的原理。
（二）激光全息术（次重点）
识记：激光全息的分类、应用。
理解：激光全息术的原理。
（三）激光存储技术；激光扫描器和打印机（一般）
识记：激光存储的特点、分类；激光扫描器和打印机。
理解：激光存储原理。
第十章激光在科学技术前沿问题中的应用
一、学习目的与要求
通过本章的教学使学生：
1 了解激光在受控核聚变中的应用。 2 了解激光冷却技术。 3 了解激光操纵微粒的方法和原理。 4 了解激光诱导化学反应的原理。 5 了解激光在光谱技术中的应用。 二、考核知识点与考核目标
本章内容仅要求了解，不作考试要求。
第三部分有关说明与实施要求
一、考核的能力层次表述
本大纲在考核目标中，按照“识记”、“理解”、“应用”三个能力层次规定其应达到的能力层次要求，各能力层次为递进等级关系，后者必须建立在前者的基础上，其含义是：
识记：能知道有关名词、概念、知识的含义，并能正确认识和表达，是低层次的要求。
理解：在识记的基础上，能全面把握基本概念、基本原理、基本方法，能掌握有关概念、原理、方法的区别与联系，是较高层次的要求。
应用：在理解的基础上，能运用基本概念、基本原理、基本方法联系学过的多个知识点分析和解决有关的理论问题和实际问题，是最高层次的要求。
二、教材
1、指定教材
《激光原理》，陈钰清主编，浙江大学出版社，2006（暂定）
2、推荐教材
《激光原理及应用》，陈家璧主编，电子工业出版社，2004
3、参考教材
《激光原理技术及应用》，周吉祥，崔小虹等主编，北京理工大学出版社，2006
《激光原理》，周炳琨高以智
《激光技术》，蓝信钜，科学出版社，2000
三、自学方法指导
1、在开始阅读指定教材某一章之前，先翻阅大纲中有关这一章的考核知识点及对知识点的能力层次要求和考核目标，以便在阅读教材时做到心中有数，有的放矢。
2、阅读教材时，要逐段细读，逐句推敲，集中精力，吃透每一个知识点，对基本概念必须彻底弄清，对基本方法必须牢固掌握。
3、在自学过程中，既要思考问题，也要做好阅读笔记，把教材中的基本概念、原理、方法等加以整理，这可从中加深对问题的认识、理解和记忆，以利于突出重点，并涵盖整个内容，可以不断提高自学能力。
4、完成书后作业和适当的辅导练习是了理解、消化和巩固所学知识，培养分析问题、解决问题及提高能力的重要环节，在做练习之前，应认真阅读教材，按考核目标所要求的不同层次，掌握教材内容，在练习过程中对所学知识进行合理的回顾与发挥，注重理论联系实际和具体问题具体分析，解题时应注意培养逻辑性，针对问题围绕相关知识点进行层次（步骤）分明的论述或推导，明确各层次（步骤）间的逻辑关系。
四、对社会助学的要求
1、应熟知考试大纲对课程提出的总要求和各章的知识点。
2、应掌握各知识点要求达到的能力层次，并深刻理解各知识点的考核目标。
3、辅导时，应以考试大纲为依据，指定的教材为基础，不要随意增删内容，以免与大纲脱节。
4、辅导时，应对学习方法进行指导，宜提倡“认真阅读教材，刻苦钻研教材，主动争取帮助，依靠自己学通”的方法。
5、辅导时，要注意突出重点，对考生提出的问题，不要有问即答，要积极启发引导。
6、注意对应考者能力的培养，特别是自学能力的培养，要引导学生逐步学会独立学习，在自学过程中善于提出问题，分析问题，做出判断，解决问题。
7、要使考生了解试题的难易与能力层次的高低两者不完全是一回事，在各个能力层次中会存在着不同难度的试题。
8.助学学时：本课程共3学分，建议总学时54学时，其中助学课时分配如下：
章次 内容 学时 绪论 激光器的发展历史及应用 1 第一章辐射理论概要与激光产生的条件 第一节光的波粒二象性
第二节原子的能级和辐射跃迁
第三节光的受激辐射
第四节光谱线增宽
第五节激光形成的条件 10 第二章激光器的工作原理 第一节光学谐振腔结构与稳定性
第二节速率方程组与粒子数反转
第三节均匀增宽介质的增益系数和增益饱和
第四节非均匀增宽介质的增益饱和
第五节激光器的损耗与阈值条件 10 第三章激光器的输出特性 第一节光学谐振腔的衍射理论
第二节对称共焦腔内外的光场分布
第三节高斯光束的传播特性
第四节稳定球面腔的光束传播特性
第五节激光器的输出功率 10 第四章激光的基本技术 第一节激光器输出的选模
第二节激光器的稳频
第三节激光束的变换
第四节激光调制技术
第五节激光偏转技术
第六节激光调Q技术
第七节激光锁模技术 8 第五章典型激光器介绍 第一节固体激光器
第二节气体激光器
第三节染料激光器
第四节半导体激光器
第五节其他激光器 5 第六章激光在精密测量中的应用 第一节激光干涉测长
第二节激光衍射测量
第三节激光测距
第四节激光准直及多自由度测量
第五节激光多普勒测速
第六节环形激光测量角度和角加速度 3 第七章激光加工技术 第一节激光热加工原理
第二节激光表面改性技术
第三节激光去除材料技术
第四节激光焊接
第五节激光快速成型技术
第六节其他激光加工技术 2 第八章激光在医学中的应用 第一节激光与生物体的相互作用
第二节激光在临床治疗中的应用
第三节激光在生物体检测及诊断中的应用
第四节医用激光设备
第五节激光应用于医学的未来 1 第九章激光在信息技术中的应用 第一节光纤通信系统中的激光器和光放大器
第二节激光全息三维显示
第三节激光存储技术
第四节激光扫描和激光打印机 3 第十章激光在科学技术前沿问题中的应用 第一节激光核聚变
第二节激光冷却
第三节激光操纵微粒
第四节激光诱导化学过程
第五节激光光谱学
1 合计 54 五、关于命题考试的若干规定
1.本大纲各章节所提到的内容和考核目标都是考试内容。试题覆盖到章，适当突出重点。
2.试卷中对不同能力层次的试题比例大致是：“识记”为20%、“理解”为30%、“应用”为50%。
3.试题难易程度合理：易、较易、较难、难比例为2：3：3：2。
4.每份试卷中，各类考核点所占比例约为：重点占65％，次重点占25％，一般占10％。
5.试题类型一般分为：单项选择题、名词解释题、填空题、简答题、计算题。
6.考试采用笔试，考试时间150分钟，采用百分制评分，60分合格。
六、题型示例
1.单项选择题
采用电注入式泵浦方式的激光器是()
A.红宝石激光器B.氦氖激光器C.砷化镓激光器D.氩离子激光器
2.名词解释题
自发辐射
3.填空题
品质因数是激光谐振腔的重要性能指标，品质因数越高，表明谐振腔的损耗越。
4.简答题
简述光学谐振腔的作用。
5.计算题
设一对激光能级为E2和E1（g1=g2），两能级间的跃迁频率为ν（相应的波长为λ），能级上的离子数密度分别为n2和n1，试求
当ν=3000MHz、T=300K时，n2/n1=?
当λ=1μm、T=300K时，n2/n1=?
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