激光原理与技术绪论课教学设计

摘  要：绪论作为一门课程的开场白和“序曲”，是不可缺少的教学环节，对后续课程的开展起着提纲挈领的作用。该文以激光原理与技术课程为例，结合课程教学团队的授课经验以及对本课程的理解和体会，提出利用绪论课激发学生学习兴趣、建立学习主线的有效方法。我们从历史、应用和前沿三个维度对绪论课进行了精心设计：回顾历史——详述激光的发明过程，展示应用——介绍激光的重要应用，紧贴前沿——介绍与激光相关的诺贝尔奖。通过该绪论课的讲授，启发和培养学生学习激光原理与技术课的浓厚兴趣，使学生能够明确学习目的，端正学习态度，最终达到师生情感交流的良好状态，保证今后教学的顺利实施。

关键词：激光原理与技术；绪论课；教学设计；激光简史；激光应用；诺贝尔奖

中图分类号：Ｇ642        文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2023）S2-0081-06

Abstract： Introduction class is the beginning of students' exposure to a course， which is an indispensable teaching step and plays an important role in the following teaching. Taking the course of Laser Principle and Technology as an example， combined with our teaching experience and understanding of this course， this paper puts forward an effective method to stimulate students' interest and establish the main learning line of this course. We carefully design the introduction class from three dimensions：history - detailing the process of laser invention， applications - introducing important applications of lasers， and frontier - introducing the Nobel Prize related to lasers. Through teaching this induction， we inspire and cultivate students' strong interest in learning "Laser Principle and Technology". Moreover， the introduction class enables students to clear learning objectives， rectify learning attitude， and finally achieve good emotional communication with teachers， which ensure the smooth progress of follow-up teaching.

Keywords： Laser Principle and Technology; introduction class; teaching design; a brief history of lasers; laser application; Nobel Prize

绪论作为一门课程的开场白，是学生最先接触一门课程的开始，是一门课程的“序曲”和不可缺少的教学环节，对后续课程的开展起着提纲挈领的重要作用[1-2]。

激光原理与技术课程（以下简称“本课程”）是国防科技大学光电专业的本科生专业课，属于核心专业课。本课程的核心内容是激光，以激光的原理和技术为主线。通过本课程的学习，目的是使学生掌握激光器的工作原理及常用的激光技术[3]，为学生未来从事光电子科学与技术工作打下必要专业知识。

由于激光原理与技术课程内容理论性强，概念多且比较抽象，很多学生进入本课程学习后表现出不适应，失去了学习激光原理与技术的兴趣。俗话说“知之者不如好之者，好之者不如乐之者”，兴趣是求知的最大动力。因此，如何充分调动学生学习激光的兴趣，是一项值得各位授课教师深入探索的课题，而绪论课是学生接触一门课程的开始。所以，兴趣的培养要从绪论课开始，进而贯穿到整个课程的教学活动[4]。一堂生动有趣、紧跟前沿的绪论课，可以把学生引入丰富多彩的激光世界，激发学生学习激光的热情，提升学生的学习效果。

近几年，我们通读了多个版本的激光原理与技术相关教材[3，5-8]，发现绪论部分的内容都略显枯燥，无法很好地激发学生学习兴趣。针对这种情况，我们在结合自己教学实践的基础上，对激光原理与技术绪论课进行了深入的思考及巧妙的设计。接下来，将从绪论课引入、激光发明简史、激光应用以及与激光相关的诺贝尔奖四个方面来剖析如何通过绪论课激发学生学习兴趣。

一 绪论课引入

1960年，世界上首台红宝石激光器诞生，使人们看到了激光作为未来军事武器的可行性。在这一背景下，科幻小说家童恩正于1963年，创作了涉及激光元素的科幻小说《珊瑚岛上的死光》。该小说讲述了中国科学家陈天虹在马太博士的帮助下，利用激光武器打败国际黑暗势力，成功将高效原子电池和“死光”设计图带回国家的故事。

该小说在1978年被改编成同名电影（图1），其被刘慈欣评价为“中国科幻片鼻祖”。影片中，陈天虹在回国途中，乘坐的飞机被敌人核潜艇所装载的空中武器击落，掉落海中，在被鲨鱼吞食的千钧一发之际，一道神秘的激光闪过，鲨鱼即刻死去，这道神秘的激光正是来自马太博士所研制的“死光”武器。这种武器能量巨大，威力惊人，随便一束光线便能够开山裂石，给当时的观众制造了非常大的震撼。影片中的“死光”其实就是今天所熟知的激光，那么激光究竟是如何研制出来的呢？接下来我们就一起进入激光的发明简史。

二  激光简史

激光的英文单词——“LASER”，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母缩写，翻译为“受激辐射放大的光”。很显然，激光的本质是光[9]。那么想要探究激光的发明历史，必须追溯到人们对光本质的探索。

（一） 光本质探索阶段

17世纪，惠更斯主张光是以一定方式沿空间传输的波动过程，建立了波动说；而牛顿主张光是以经典方式运动着的微小粒子，建立了微粒说。但是当时这两种描述是分立的，分别描述了光不同状态时的特性，因此单纯地用波动或粒子均不能完整地描述光的性质。

19世纪，麦克斯韦建立了光的电磁场理论，把光看成是频率在某一范围的电磁波。能解释光的传播、干涉、衍射、散射和偏振等现象，以及光与物质相互作用的规律。但是19世纪末，人们在进行黑体辐射实验时，发现黑体辐射的能量不是连续的，其对于波长（频率）的分布仅与黑体的温度有关。从经典物理学的角度看来，这个实验的结果是不可思议的。

当时，人们都是从经典物理学出发寻找实验的规律。德国物理学家维恩建立起黑体辐射能量按波长分布的公式，但这个公式只在低频阶段才和实验符合（如图2（a）所示）。英国物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立了瑞利-金斯公式，该公式在低频阶段与实验相吻合，但是在高频阶段却和实验数据相差甚远，这种高频发散被称为“紫色灾难”（如图2（b）所示）。这些失败实际上已经暴露了经典物理学的缺陷。因此，要想在全波段解释黑体辐射实验结果，必须突破经典理论。

到了1900年，普朗克打破了传统电磁场的观念，大胆地提出了能量量子化的概念：物体在吸收或辐射电磁波的时候能量是不连续的、是一份份的，这些基本能量单位只与电磁波的频率有关，并且和频率成正比

利用该假设，普朗克推出了著名的黑体辐射公式

完美地解释了黑体辐射实验结果。

1905年，为了解释经典物理学无法解释的光电效应，爱因斯坦在普朗克能量子假说的基础上，把量子性从辐射的机制引申到光的本质上，提出了光量子假说。认为光本身也是不连续的，光不仅在吸收和发射时是量子化的，而且光的传播本身也是量子化的，恢复了光的粒子性，使人们终于认清了光的波粒双重性格，而且在此启发下，发现了德布罗意物质波，使人们认清了微观世界的波粒二象性，为后来量子力学的建立奠定了基础。

。（3）

（二）  概念阶段

1913年，波尔在普朗克能量子概念的基础上提出了氢原子结构模型，创造性地将量子概念与卢瑟福的原子核式模型结合，建立了自己的“玻尔模型”（如图3所示）。定态假设、跃迁假设、角动量假设，其中跃迁假设为当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，发出或吸收单色辐射的频率满足

成功地解释了氢原子和类氢原子的光谱特性，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖。

1917年，爱因斯坦在玻尔原子结构模型的基础上，用光量子概念重新推导了黑体辐射的普朗克公式，从理论上指出，当光与物质相互作用时，除了吸收和自发辐射，还存在第三种过程——受激辐射。受激辐射过程中，一个频率合适的入射光子诱发处于高能级状态的原子系统跃迁到低能级状态，额外释放出与入射光子完全相同的光子。如果有足够多的微观粒子处在高能级，受激跃迁会发生连锁效应（如图4所示）。一个光子产生两个光子，两个产生四个，不断往前推进，受激辐射产生的光子会呈几何级数增长，最终产生大量具有相同状态的光子，在第一章“激光的相干性描述”的学习中，大家会知道这是强相干光，也就是激光。由此可见，受激辐射是激光产生的理论条件。提醒学生在第三章“激光产生的基本原理”中，会对受激辐射进行详细介绍。

（三）  准备阶段

自从受激辐射的概念提出后，大家一直在寻找实现原子受激辐射的条件，但是一直没找到。直到1940年，V.A Fabrikant博士在其博士毕业论文中，提出了要想产生受激辐射，必须实现粒子数反转。一般情况下，物质处于热平衡状态，粒子数的分布满足玻尔兹曼分布上能级的粒子数永远小于下能级的粒子数，那么受激辐射弱于吸收。粒子数反转意味着增益介质要远离平衡态，从而处于上能级的粒子数超过处于下能级的粒子数（如图5所示），这样光在增益介质中传播时受到的增益才可能大于损耗，达成对光的放大。提到新的名词时，比如“粒子数反转”“增益介质”等，提示学生在后续的第三章“激光产生的基本原理”中将会详细介绍。

实现粒子数反转就能使原子产生受激辐射，就有可能产生激光，因此科学家们开始全力寻找实现粒子数反转的方法。1948年，柏塞尔在实验中通过传统光源泵浦首次实现了粒子数反转现象，并获得了每秒50千赫兹的受激辐射，成功验证了爱因斯坦的受激辐射理论。

1950年，卡斯特勒发明了光泵（图6），并用光泵浦的方法实现了粒子数反转状态。由于他提出利用光学手段研究微波谐振的方法而获得1966年诺贝尔奖。

（四）  实施阶段

至此，产生激光的条件已经具备，大家开始争相研制激光器。

1951年，汤斯（C.H.Townes）产生了如何做MASER（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，译为“利用受激辐射对微波进行放大”）的思路，利用气体放电可以让一小部分氨分子处于激发态，然后通过磁场把处于基态的氨分子和处于激发态的氨分子区分开来，将激发态的氨分子注入到一个微波谐振腔里，在这个谐振腔里就实现了粒子数反转。经过三年的努力，世界上第一台MASER问世（图7）。

既然可以在微波频段制造MASER，那能否在更高频率的频段实现粒子数反转，建成光波波段的激射器（也就是激光）呢？很快在实现过程中碰到了难点：如果仿照微波的做法，做一个波长大小的谐振腔，难度非常高。当时，汤斯认为几乎不可能通过受激辐射实现对光波的放大。这时候，肖洛提出可以用法布里-珀罗腔作为激光器的谐振腔。1958年，肖洛和汤斯在Physical Review上合作发表了一篇理论文章《Infrared and Optical MASERs》（图8），这篇文章论证了将微波激射技术扩展到红外和可见光的可能性，第一次在理论上预言了激光的可行性，是激光发展史上具有重要意义的一片论文。