Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный университет геодезии и картографии (МИИГАиК)
Утверждаю
Ректор МИИГАиК
«……» _______________
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
Б.3.14. Лазеры
Направление подготовки |
| |||||
200400.62-Оптотехника | ||||||
Профиль подготовки: | ||||||
Оптико-электронные информационно-измерительные и следящие приборы и системы | ||||||
Квалификация (степень) выпускника: бакалавр | ||||||
Факультет | Оптико-информационных систем и технологий | |||||
Кафедры потребители: кафедра прикладной оптики, кафедра конструирования и технологии оптических приборов | ||||||
Кафедра-разработчик рабочей программы: кафедра оптико-электронных приборов | ||||||
Кафедра-разработчик рабочей программы_________________________________ (название) | ||||||
Семестр | Общий объем курса, час. | Лекций, час. | Практичес занятий, час. | Лаборат. работ, час. | СРС, час. | Форма контроля Экз./зачет |
6 | 144 | 34 | 18 | 16 | 76 | Зач., экз. |
Москва 2011 г.
Аннотация рабочей программы
Изучение дисциплины делится на три части. Задачи первой части заключаются в изучении физических принципов работы лазеров, принципов действия отдельных типов лазеров, конструктивного оформления элементов, узлов и лазера в целом, системы параметров и характеристик лазера как источника излучения, способов измерения параметров и характеристик, управления параметрами лазерного излучения. Объясняется необходимость учета специфики лазера как источника излучения при расчетах оптических систем и энергетических расчетах. Осваиваются практические навыки работы с лазерами и требования по технике безопасности.
Задачи второй части заключаются в изучении основных типов лазерных приборов и систем, принципов их работы, применения, конструктивного оформления. Систематизируются сведения о промышленных типах лазеров. Обосновываются технические характеристики лазерных приборов и систем. Рассматриваются различные схемы оптических систем, используемых для формирования лазерного излучения. Излагаются особенности энергетических расчетов и выбора приемника излучения лазерного прибора. Особенностью второй части курса является физическое обоснование эффективности использования лазерных приборов и систем при решении научных и технических задач.
Третья часть курса посвящена задаче расчета лазерных оптических систем. На основе фундаментального курса оптики и основных свойств лазерного излучения даются методы и рекомендации по выбору и расчету оптических систем, предназначенных для формирования лазерного излучения. Особое внимание уделяется оптическим системам для коллимации и фокусирования лазерного излучения.
1. ЦЕЛИ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель дисциплины заключается в расширении и углублении знаний об общей природе оптических явлений, источниках когерентного излучения – лазерах, оптических методах и средствах, основанных на применении лазеров. В общей системе подготовки бакалавров данная дисциплина посвящена теоретическому и практическому изучению лазеров и лазерных приборов. Изучение дисциплины базируется на дисциплинах «Физика», «Основы оптики», «Физические основы квантовой электроники» и взаимосвязано с дисциплинами «Оптико-электронные приборы и системы», «Источники и приемники излучения» и другими курсами.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.14. Лазеры в СТРУКТУРЕ ООП ВПО
Данная учебная дисциплина входит в раздел «Б.3. Профессиональный цикл» по направлению подготовки 200400.62-Оптотехника. Ей предшествует изучение дисциплин Б.2.2 «Физика», Б.2.7 «Специальные разделы физики», Б.2.11.»Основы оптики», Б.3.7 «Электроника и микропроцессорная техника». Требования к «входным» знаниям, умениям и готовностям обучающегося, необходимым при освоении данной дисциплины и приобретенным в результате освоения перечисленных дисциплин содержатся в Основной образовательной программе подготовки бакалавра по направлению 200400.62-Оптотехника.
На изучении данной дисциплины, как «предшествующей», базируются дисциплины Б.3.10 «Оптико-электронные приборы и системы», Б.3.15 «Проектирование оптико-электронных приборов», Б.3.16 «Сборка и юстировка оптико-электронных приборов», Б.3.19 «Геодезические измерения», Б.3.26б «Лазерная обработка материалов», а также программа производственной практики и подготовка выпускной работы..
3. КОМПЕТЕНЦИИ ОБУЧАЮЩЕГОСЯ, ФОРМИРУЕМЫЕ В РЕЗУЛЬТАТЕ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.14. Лазеры.
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
знать:
- -основные виды лазеров и их параметры и характеристики, преимущества и недостатки лазера как источника излучения, особенности его применения в приборах и системах, особенности энергетического расчета лазерных приборов (ПК-1, ПК-2, ПК-18);
уметь:
- осуществлять корректный выбор лазеров для работы в составе конкретной оптико-электронной системы (ПК-2, ПК-7, ПК-18);
владеть:
- - навыками работы при измерении параметров и определении характеристик лазеров и их параметров, способами управления ими, методами выбора и расчета оптических систем для формирования лазерного излучения особенности (ПК-11, ПК-13).
4. СТРУКТУРА И СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.14. Лазеры
Общая трудоемкость дисциплины составляет 4 зачетных единицы, 144 часа.
№ п/п | Семестр | Номер недели | Раздел | Виды учебной работы, включая самостоятельную работу студентов | Формы текущего контроля успеваемости (по неделям семестра) Форма промежуточной аттестации (по семестрам) | ||||
Лекции | Практ. занятия | Лаб. раб | Курсов. работа | СРС | |||||
1 | 1 | 1. | Основные свойства лазерного излучения | 2 | 2 | 2 | |||
2 | 2 | 2-4 | Физические основы работы лазеров | 6 | 2 | 4 | |||
3 | 3 | 5. | Газовые лазеры | 2 | 2 | 4 | |||
4 | 6. | Твердотельные лазеры | 2 | 2 | 4 | ||||
5 | 7. | Полупроводниковые лазеры | 2 | 2 | 4 | ||||
6 | 8-9 | Способы измерения параметров лазерного излучения | 2 | 4 | 4 | ||||
7 | 10-11. | Управление параметрами лазерного излучения | 2 | 2 | 2 | 4 | |||
8 | 12. | Обзор основных типов промышленных лазеров | 2 | 2 | 4 | ||||
9 | 13. | Использование лазеров для измерений. Лазерные локаторы. | 2 | 2 | 4 | ||||
10 | 14. | Лазерные интерферометры | 2 | 2 | 4 | ||||
11 | 15. | Лазерные эталоны частоты и времени | 2 | 2 | 4 | ||||
12 | 16. | Энергетические расчеты лазерных приборов | 4 | 2 | 4 | ||||
13 | 17. | Особенности конструкции лазерных приборов | 2 | 2 | 4 | ||||
14 | 17 | Оптические системы для фокусирования, коллимации и согласования лазерного излучения | 2 | 2 | 2 | 4 |
| |||||||
· ППК-1 | · ППК-2 | · ППК-7 | · ППК-11 | · ППК-13 | · ППК-18 | ообщее количество компетенций | |
Тема 1 | · | 2 | |||||
Тема 2 | · | · | 2 | ||||
Тема 3 | · | · | 2 | ||||
Тема 4 | · | · | 2 | ||||
Тема 5 | · | · | 2 | ||||
Тема 6 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 7 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 8 | · | · | · | 3 | |||
Тема 9 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 10 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 11 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 12 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 13 | · | · | · | · | · | 5 | |
Тема 14 | · | · | · | · | · | 5 |
Содержание разделов дисциплин
1. Введение
Определение лазера как прибора. Роль лазеров в современном приборостроении. Краткий исторический очерк. Современное состояние и перспективы развития лазеров. Лазерные приборы. Роль оптических систем. Задачи дисциплины.
2. Основные свойства лазерного излучения.
Монохроматичность. Когерентность. Направленность. Интенсивность. Поляризованность. Физические основы этих свойств. Способы получения от обычных источников. Способы демонстрации указанных свойств. Преимущества лазера как источника излучения, вытекающие из рассмотренных свойств излучения.
3. Физические основы работы лазеров
Основные свойства оптической среды. Оптические переходы в возбужденной среде. Взаимодействие излучения с возбужденной средой. Понятия нормальной и инверсной среды. Эффекты усиления и насыщения. Объяснение основных свойств лазерного излучения. Принципиальная схема лазера. Классификация лазеров.
4. Газовые лазеры.
Классификация газовых лазеров. Газоразрядные, газодинамические и химические лазеры. Способы накачки газовых лазеров. Основные элементов принципиальной схемы газовых лазеров, гелий-неоновые, аргоновые, лазеры на углекислом газе, эксимерные лазеры, лазеры на парах металлов, фотодиссоционные лазеры, химические лазеры, газодинамические лазеры. Особенности устройства, основные параметры, области применения указанных лазеров. Режимы работы, условия эксплуатации.
5. Твердотельные лазеры.
Классификация твердотельных лазеров. Рубиновые и неодимовые лазеры. Другие типы твердотельных лазеров. Оптическая накачка. Активные элементы. Режимы работы. Особенности лазеров на гранате.
6. Полупроводниковые лазеры.
Классификация полупроводниковых лазеров. Активные элементы и способы накачки полупроводниковых лазеров. Лазеры на арсениде галлия. Гетеролазеры. Преимущества и недостатки полупроводниковых лазеров. Сравнение с другими типами лазеров. Зависимость параметров излучения от температуры. Расходимость полупроводниковых лазеров. Режимы работы, области применения.
7. Жидкостные лазеры.
Классификация жидкостных лазеров. Лазеры на неорганических растворах. Лазеры на красителях. Накачка жидкостных лазеров. Режимы работы, основные параметры. Перспективные типы лазеров.
8. Оптические резонаторы.
Назначение оптического резонатора. Устойчивые и неустойчивые резонаторы. Формирование излучения в оптическом резонаторе. Условие образования генерации в лазере. Моды оптического резонатора. Образование спектра лазерного излучения. Основные типы оптических резонаторов: плоский, конфокальный, произвольной конфигурации. Особенности неустойчивых резонаторов. Заполненные и «пустые» резонаторы.
9. Параметры и характеристики лазерного излучения
Пространственные, частотные (спектральные), энергетические и эксплуатационные параметры и характеристики лазерного излучения. Режимы работы лазеров. Расходимость, длина волны, понятие ближней и дальней зоны лазерного излучения, размер пучка, форма волнового фронта. Гауссов пучок. Одномодовое и многомодовое излучение. Одночастотное излучение. Режим модулированной добротности резонатора. Импульсный и непрерывный режимы излучения.
10. Способы измерения параметров лазерного излучения.
Способы измерения энергетических параметров: калориметрический, механический, фотографический, фотоэлектрический. Способы измерения пространственных параметров: по измерениям размеров пятен в различных плоскостях, способ фокального пятна. Измерение частотных параметров. Роль уровня интенсивности (энергии) в определении размеров пучка и расходимости.
11. Управление параметрами лазерного излучения
Способы получения одномодового и одночастотного излучения. Способы управления длиной волны лазерного излучения. Модуляция и отклонение лазерного излучения.
12. Специфика лазера как источника излучения.
Негомоцентричность гауссова пучка. Формирование перетяжки гауссова пучка. Границы применимости геометрической оптики. Особенности ослабления лазерного излучения в атмосфере и воде. Монохроматические параметры приемников лазерного излучения. Особенности приема импульсного излучения и излучения с высокой частотой повторения импульсов.
13. Обзор основных типов промышленных лазеров.
Гелий-неоновые, аргоновые, на углекислом газе, рубиновые, неодимовые, химические, эксимерные, полупроводниковые, на парах металлов. Режимы работы, основные параметры и характеристики лазеров. Перспективные лазеры.
14. Использование свойств лазеров для измерений. Лазерные локаторы.
Принципиальная схема лазерного локатора. Методы измерения расстояний и углов. Основные параметры лазерных локаторов. Лидары.
15. Лазерные интерферометры.
Принципиальная схема лазерного интерферометра для линейных измерений. Оптические развязки. Способы устранения неоднозначности интерференционных измерений. Схемы интерференционных угломеров. Параметры и характеристики лазерных интерферометров.
18. Лазерные эталоны частоты и времени.
Способы стабилизации частоты излучения лазера. Оптические дискриминаторы. Схема частотно-стабилизированного лазера. Параметры стабилизации.
19. Лазерные опорные системы
Задание линий и плоскостей. Системы вертикального проектирования. Стабилизация положения оси диаграммы направленности. Геодезические лазерные приборы и системы.
20. Энергетические расчеты лазерных приборов.
Энергетические расчеты лазерных приборов и систем. Учет монохроматичности и поляризованности излучения. Особенности ослабления лазерного излучения в атмосфере и воде. Расчет монохроматических параметров приемников излучения. Формулы для расчета потока гауссова пучка, прошедшего через диафрагму.
21. Особенности лазерной оптики.
Основные способы формирования лазерного излучения. Современное состояние методов расчета оптических систем для формирования лазерных пучков. Модели лазеров как источников излучения. Оптические системы для фокусирования, коллимации и согласования лазерного излучения.
Особенности линзовых и зеркальных компонентов. Свойства специальных оптических элементов – аксиконов. Расчет диаметра компонентов дифракционно-ограниченных систем и систем, обладающих значительными остаточными аберрациями.
Лабораторный практикум
№ п/п | № раздела дисциплины | Наименование лабораторных работ и практических занятий |
1-2 | 1-2 | Излучение основных свойств лазерного излучения |
3 | 4 | Изучение газовых лазеров |
4 | 5 | Изучение твердотельных лазеров |
5 | 6 | Изучение полупроводниковых лазеров |
6 | 7 | Изучение многоцветного лазера |
7-9 | 10 | Измерение параметров лазерного излучения |
10 | 14 | Измерение ширины щели по дифракционной картине |
11-12 | 15 | Лазерный интерференционный угломер |
13 | 17 | Макет доплеровского измерителя |
14 | 19 | Фотоэлектрический поляриметр |
15-18 | 21 | Коллимирующая оптическая система |
5. ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Текущая аттестация студентов проводится лектором и преподавателем, ведущим практические занятия по дисциплине, в следующих формах:
тестирование,
выполнение лабораторных работ и практических занятий,
защита отчетов по лабораторным работам и практическим занятиям.
Рубежная аттестация студентов производится при приеме контрольной работы по итогам практикума.
6. ОЦЕНОЧНЫЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ТЕКУЩЕГО КОНТРОЛЯ УСПЕВАЕМОСТИ, ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ ПО ИТОГАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Вид работы | Тема работы | Перечень ЗУН, получаемых студентом при выполнении данного вида работы |
Контрольная работа на тему «Расчет основных параметров лазерной системы» | ПК-2, ПК-7, ПК-11, ПК-18 |
Приложение
Контрольные вопросы и задания для проведения текущего контроля и промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины, а также для контроля самостоятельной работы обучающегося по отдельным разделам дисциплины. Каждый вопрос или задание заканчивается ссылкой на источник – см. раздел 7 программы (часто с указанием номеров страниц – «с.» или разделов - «р.»), где содержится необходимая для ответа информация. В ряде случаев приводится ссылка «инд.», обозначающая необходимость использования конспекта лекций или приведения индивидуального мнения обучающегося о поставленном вопросе или проблеме.
1.Что такое лазер?. – [3 - р. 3.15, 1 - р.1.1.1]
2.Нарисуйте принципиальную схему лазера и объясните назначение и расположение его основных узлов. – [1 - р.1.2.6]
3.Что представляет собой спектр лазерного излучения? - [1 - р.2.4]
4.Чем определяется длина волны лазерного излучения? – [1 - р.2.4]
5.За счет чего инверсная среда усиливает проходящее через нее излучение? - [1 - р.1.2.5]
6.Дайте классификацию современных лазеров. – [3 – р.3.15.2, 1 - р.1.1.1]
7.Назовите лазер, который излучает на длине волны 0,44 мкм? 0,53 мкм? 0,48 мкм? 0,6328 мкм? 0,64 мкм? 0,69 мкм? 1,153 мкм? 3,39 мкм? 10,6 мкм? - [1 – инд.]
8.На каких длинах волн излучает гелий-неоновый лазер, неодимовый лазер, рубиновый лазер, полупроводниковые лазеры, лазер на углекислом газе? - [1 – инд.]
9.Что такое гетеролазеры? - [1 - р.3.3]
10.Приведите сравнительную характеристику газовых, твердотельных и полупроводниковых лазеров. - [1 – инд.]
11.Как уменьшить потери энергии на торцах активного элемента твердотельного лазера? - [1 – инд., 4 – инд.]
12.Какова конструкция газоразрядного лазера с «внутренними» и «внешними» зеркалами резонатора? - [1 – р.3.1]
13.Как устроен активный элемент полупроводникового лазера? - [1 - р.3.3]
14.Что может являться основанием (держателем) резонатора газоразрядного лазера? - [1 – инд.]
15.Что такое инверсная среда? - [1 - р.1.2.5]
16.За счет чего инверсная среда усиливает проходящее через нее излучение? - [1 - р.1.2.5]
17.Что используется в качестве активатора в рубиновом лазере? - [1 - р.3.2.3]
18.Что такое оптические переходы в возбужденной среде? - [1 - р.1.2.3]
19.В чем заключается условие инверсии в полупроводниках? - [1 - р.3.3]
20.Что такое обобщенные параметры резонатора? - [1 - р.2.1]
21.В чем заключается условие устойчивости резонатора? - [1 - р.2.1]
22.Что такое и как работают окна Брюстера? - [1 - р.3.1]
23.Как устроен резонатор инжекционного лазера? - [1 - р.3.3.2]
24.Перечислите способы, с помощью которых можно менять длину волн излучения лазера. – [инд.]
25.Как продемонстрировать свойство когерентности излучения? - [1– инд.]
26.Как продемонстрировать свойство монохроматичности излучения? - [1 - р.]
27.Что такое осветитель твердотельного лазера? - [1 - р.3.2.2]
28.Как устроен резонатор лазера на углекислом газе? - [1 - р.3.1]
29.Как устроены зеркала резонаторов лазеров? - [1 - р.2.1]
30.Чем объясняется расходимость пучка инжекционного лазера? - [инд.]
31.В чем состоит особенность устройства активного элемента аргонового лазера по сравнению с гелий-неоновым? – [1 - р.3.1.2.1]
32.В чем состоят достоинства и недостатки устройства активного элемента твердотельного лазера в виде цилиндра и пластинки? - [1 - р.3.2.1]
33.Каким образом можно определить является ли излучение лазера одномодовым или многомодовым? - [инд.]
34.В чем заключается физический смысл эквивалентного конфокального резонатора? - [4 - с.9]
35.Нарисуйте в одном масштабе два пучка основной моды (зависимости размера пучка от расстояния до перетяжки) при условии, что разница одной моды (в перетяжке) в два раза больше другой. - [инд.]
36.Нарисуйте гауссов пучок и покажите на рисунке угол, соответствующий угловой расходимости пучка. - [инд.]
37.Что такое активная часть спектральной линии, соответствующей переходу частицы с верхнего инвертированного уровня на нижний? - [1 - р.2.4]
38.Что такое «размер гауссова пучка»? - [4 - с.16]
39.Назовите причины, по которым условие генерации для основной моды выполняется, а для других – нет. - [инд.]
40.Докажите, что расходимость пучка моды ТЕМо1 больше, чем расходимость пучка моды ТЕМоо. - [4 - р.2, инд.]
41.Известны длина волны лазерного излучения и размер перетяжки гауссова пучка. Нарисуйте качественную зависимость Wz от Z. - [инд.]
42.В чем заключается метод «фокального» пятна при измерении расходимости лазерного пучка? - [4 - р.1.3]
43.Как определить расходимость лазерного излучения по измерениям размера пучка на различных расстояниях? - [4 - р.1.3]
44.На какие выходные характеристики полупроводникового лазера влияет ширина запрещенной зоны полупроводника? - [инд.]
45.Какой вид накачки используется в инжекционном лазере? - [1 - р.3.3.2]
46.Что необходимо знать, чтобы построить гауссов пучок? - [инд.]
47.Что такое режим модулированной добротности резонатора? - [инд.]
7. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ И ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ Б.3.14. Лазеры
а) основная литература
1. , Хорошев .- М.:МИИГАиК, 2002.-132 с.
2. Якушенков и расчет оптико-электронных приборов.-М.: Логос, 201с.
3. , Козлов излучения. Учебник для вузов.- С.-Пб., ИТМО, 2005. – 395 с.
б) дополнительная литература
4. Климков лазерная оптика. - М. Машиностроение, 1985.-168 с.
5. , , Тарлыков лазерной техники. - Л. Машиностроение, 1990.
6. Лазеры. Исполнение, управление, применение. – М.: Техносфера, 2008.
7. , Пахомов электроника. Приборы и их применение, - М.: Техносфера, 2006.
в) интернет-ресурсы - W: \OPTELEC\ Dove. Bas
Rays, objective.
7. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Для проведения занятий по дисциплине «Лазеры» используются аудитории, оснащенные учебным телевидением, лаборатория технологических установок, специализированная лаборатория кафедры оптико-электронных приборов, класс вычислительной техники. При проведении лабораторных работ используются стенды лабораторных установок, оптическая скамья ОСК-2 и другие оптические и электронные приборы. Компьютерное обеспечение осуществляется за счет использования персональных компьютеров PC 80486, PC Pentium II. Используются программы для расчета конструкторских разработок и оптических систем:
Auto CaD 2000
Math CaD 7
Photoshop 5,5
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом рекомендаций и ПрООП ВПО по направлению 200400.62 и профилю подготовки «Оптико-электронные информационно-измерительные и следящие приборы и системы».
Автор- проф. каф. ОЭП МИИГАиК, д. т.н.
Рецензент – НУК РЛМ МГТУ им.
Программа одобрена на заседании кафедры оптико-электронных приборов МИИГАиК и методической комиссии факультета оптико-информационных систем и технологий МИИГАиК от 01.01.2001 г., протокол
