激光原理与技术绪论课教学设计

刘苹 徐威 朱志宏 袁晓东 张检发

摘  要：緒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，使人們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。

汤斯考虑用光抽运气体，以实现粒子数反转，得知库什有一个博士生叫古德（Richard Gordon Gould， 1920—2005年）对光抽运有经验，就与他进行了两次深入交谈。在与汤斯讨论时，古德意识到难点在于寻找合适的谐振腔。经过几个星期的思考，古德也独立想到可以采用法布里-珀罗腔作为激光的谐振器。1959年，古德将自己关于激光的构想写在了实验本上，题目叫《Some rough calculations on the feasibility of a LASER： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation》（《关于激光：基于受激辐射光放大可行性的一些粗略计算》），这是LASER这一术语第一次被提出，我们今天所熟知的激光的名字就来源于此。

1958年起的两年内，肖洛到处说红宝石不能用来做激光的增益介质，由于他已经被认为是这个领域的权威，大家都不再考虑红宝石，但是梅曼却对此持怀疑态度。他认为不一定非要用连续光来抽运红宝石，换成脉冲光能够避免过热问题。因此，梅曼利用螺旋形闪光灯为抽运源，红宝石晶体为增益介质，法布里-珀罗腔为谐振腔（提醒学生，在第二章“光学谐振腔的一般性质”中详细介绍“法布里-珀罗腔”），终于在1960年5月16日下午，获得了694.3 nm波长的红色激光，第一台激光器就此诞生（图9），梅曼仅用了9个月的时间和几千美元的经费，最终赢得了这场世界范围内的激光研制竞赛。从此，激光作为一种新事物登上了历史舞台。

（五）  百花齐放阶段

随着第一台激光器——红宝石激光器的诞生，He-Ne激光器、氩离子激光器、半导体激光器等各种激光器如雨后春笋一般层出不穷。

中国科学院长春光学精密机械研究所王之江教授于1961年8月成功研制出我国第一台红宝石激光器，比世界上第一台激光器只晚了18个月。由表1可知，我国与世界上第一台同种类型的激光器问世时间相比并不落后，我国的激光技术在当时已达到世界先进水平，进一步激发学生的爱国热情和民族自豪感。

综上，回顾60多年前这段群雄逐鹿的激光发明历程，一方面，有利于引导学生逐步揭开激光的神秘面纱，使其在对科研工作者们心怀敬意的同时，受到智慧的启迪。另一方面，帮助学生建立起本课程的主线，有利于学生梳理各章节错综复杂的内容，促进各章节知识的融会贯通，提高学习效率。

三  激光应用

六十多年后的今天，激光已经无处不在，且深深地影响着生产生活。如图10所示，在医学领域，飞秒激光像一把精密的手术刀，用于治疗近视、美容等；在微加工领域，由于其对材料周围影响极小，能安全的切割、打孔、雕刻，甚至应用于集成电路的光刻工艺中。

激光在现代军事战争中发挥着极其重要的作用。结合军校基础课程教学的军事应用背景，向学生展示各种先进的激光武器系統以及激光侦察（如激光测距、激光通信、激光雷达）、激光制导、激光陀螺等，如图11所示。

然而，一台简单激光器出射的激光束，其性能往往不能满足应用的需要，需要各种激光技术来控制和改善激光的输出特性。提醒学生在第六章“激光技术”的讲授中，会结合具体应用实例重点介绍调Q技术、锁模技术、稳频技术等，帮助学生梳理课程脉络，以便学生自主学习。

综上，利用信息化教学手段，向学生展示激光在其生活、生产、军事中的应用，既能使学生更加形象直观地认识激光，还能使其认识到激光的重要性。通过该部分内容的介绍，为学生学习激光原理与技术课程铺垫心理基础，有助于后续教学的顺利开展。

四  与激光相关的诺贝尔奖

纵观诺贝尔奖百年历史，与光学直接或间接相关的获奖成果多达40余项，约占诺贝尔物理学奖的40%。其中，在1960年后，几乎所有与光学相关的诺贝尔奖或多或少都与激光有关联。挑选其中几项，向学生简单介绍。

1964年，诺贝尔物理学奖授予汤斯，以表彰他在微波激射器、激光器发明方面的理论贡献，以及研制出微波激射器。这也是激光最早获得的诺贝尔奖。

1971年，伽博·丹尼斯因利用激光发明并发展了全息照相法（图12）而获得了诺贝尔物理学奖，该技术大量运用在科幻电影中，在绪论课中播放《阿凡达》中的全息沙盘展示、《钢铁侠》中的悬空投影，让学生更形象直观地感受激光全息照相的神奇魅力。

1981年，诺贝尔物理学奖授予布隆姆伯根和肖洛，以表彰其为发展激光光谱学所作出的突出贡献。

1997年，朱棣文、克洛德·科昂、威廉·菲利普斯因发展了用激光冷却和捕获原子的方法，而获得了诺贝尔物理学奖（图13）。激光冷却技术是通过激光光子与运动的原子碰撞，从而使得原子减速，获得超低温原子。利用该技术，科学家首次观测到了物质的第五态--玻色-爱因斯坦凝聚态。

1999年，艾哈迈德·泽维尔因运用激光技术观察到化学反应过渡态的变化过程而获得诺贝尔化学奖（图14），这也是诺贝尔化学奖第一次颁发给激光领域。

2009年，诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟，以表彰他在“有关光纤通讯领域”作出的突破性成就。光纤带来了通讯划时代变革，高锟“光纤之父”的美誉传遍世界。

2017年，诺贝尔物理学奖授予雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他们“在激光干涉引力波LIGO探测器的决定性贡献以及探测到引力波的存在”（图15）。引力波的发现是对广义相对论预言的验证，同时打开了探索宇宙的新窗口，这对理解宇宙的演化，大尺度结构的形成过程、黑洞物理，甚至量子引力带来极大的帮助。

2018年，诺贝尔物理学奖授予亚瑟·阿什金、杰哈·莫罗和唐娜·斯特里克兰，以表彰其“在激光物理领域的突破性发明”——“光学镊子及其在生物系统的应用”“产生高强度超短光学脉冲的方法”（图16）。

综上，通过介绍与激光相关的诺贝尔奖，开拓学生的科研视野，进一步激发学生学习激光的兴趣。

五  结束语

绪论课是课程的第一节课，其授课好坏直接影响后续的授课效果。为了充分调动学生学习的积极性，达到预期的授课目标，本文以激光原理与技术课程为例，从四个方面设计绪论课：首先以问题为引入——“激光是如何从科幻照进现实的”；再逐层挖掘激光的发明历程，从对光本质的探索，到1917年受激辐射概念的提出，再到利用粒子数反转实现受激辐射，最终在1960年世界上第一台激光器问世；紧接着，介绍激光在生产、生活、军事中的重要应用，引导学生更加直观地认识激光，体会激光的重要性；最后，介绍与激光相关的诺贝尔奖，进一步激发学生学习激光的兴趣，使学生更多地投入到激光物理科学研究中。通过教学实践的反馈，此绪论课的设计，环环相扣，层层递进，不断激发学生的学习兴趣，而且在绪论课的讲授过程中，梳理了本课程的脉络，使学生更加顺利地进入新学科的学习。

参考文献：

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