《激光技術》課程教學模式改革與實踐探索

于旭東+譚中奇+楊開勇+張斌

摘要：本文根據激光技術課程建設和教學改革實踐中的體會，從課程教學改革的必要性、課程教學設計與實現、教學方法探索等三個方面進行了詳細的分析和闡述，為提高教學質量進行了有益的探索。

關鍵詞：激光技術；教學改革；實踐

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）03-0120-03

自上個世紀60年代美國科學家梅曼發明世界上第一臺紅寶石激光器以來，激光技術的發展可謂日新月異，已經應用到我們的生活、科研、工業、醫學、軍事等方方面面[1，2]。在生活方面，我們經常接觸到的DVD、數碼相機、智能手機、激光打印復印等都應用了激光技術；在科研上，激光可以為我們提供測量基準，提供極端物理條件，可以作為先進的光源；在工業上，激光是信息通信、存儲、準直、導航定位、加工、表面處理等必不可少的工具；在醫學上，激光美容、激光手術已經為我們所熟知；在軍事領域，激光技術更是深入到了武器裝備的方方面面，因此激光技術被列為國家戰略支撐技術[3]。

《激光技術》是一門講述如何操控激光、控制激光和應用激光的課程[4，5]，是緊密結合《激光原理》的一門基礎專業課，《激光原理》主要講述的是激光的基本原理和基本知識，而《激光技術》主要針對的是激光的具體技術應用，是從事光學專業必須要掌握的基礎知識。

一、教學改革的必要性

《激光技術》課程是光學工程專業課程建設的重要組成部分，它是專業基礎課程幾何光學和物理光學知識的拓展，是訓練學員進一步掌握激光技術的關鍵課程。我院開始這門課程是在完成《激光原理》課程之后學期開設的，目的是進一步加深學員對光學尤其是激光光學的理解和認識，訓練學員掌握激光、操控激光的動手能力，培養綜合理解能力、分析問題和解決問題的能力，初步培養學員的創新能力。該門課程設置在激光原理的教學之后，開設在大四學員的秋季學期，該時間段恰逢學員考研的關鍵時間段，如何通過合理的設計教學實踐環節提高教學效果成為迫在眉睫的問題[6]。

研究和解決課程教學中遇到的問題，提高課程教學效果，在大四考研的攻堅階段讓學員利用最少的時間來掌握核心知識，提高教學效果，調動學員的課堂積極性，為此，研究課程教學模式和教學方法，對培養軍隊高素質新型軍事人才具有重要意義。

二、課程教學設計與實踐

（一）圍繞一個中心展開教學

《激光技術》課程共計6章40課時，如圖1所示，課程內容僅僅圍繞激光具體應用技術展開，工程應用特點明顯。因此，在教學中，我們以“激光的應用技術”為中心展開教學。首先，我們向學員介紹激光的調制與偏轉技術，從光學的角度詳細介紹三種物理效應——電光效應、聲光效應和磁光效應，這是后面講述調Q、鎖模等章節的基礎；然后，從激光的能量、功率、脈寬這個應用角度向學員系統地介紹調Q技術、超短脈沖技術和激光放大技術；最后，從光束質量這個應用角度向學員介紹選頻與選模技術和穩頻技術。可以看出，整個教學的重點都是放在“激光的具體應用技術”上，課程的設計是以“激光的具體應用”展開的。

（二）注重兩個兼顧

對于剛剛畢業本科生而言，大多數學員會走向軍隊和社會，并不一定繼續從事科研工作，而課程教學中更加注重物理概念和基本原理的論述，因此，在教學中主要注重原理和應用的結合。例如，在講述“激光放大技術”時，在介紹完矩形脈沖放大的基本原理之后，專門設置一節課來講述激光放大的應用，最為典型的例子是美國國家點火裝置（NIF）和中國的“神光”計劃，結合實例講述激光放大的基本原理、光學器件的設計、光與物質的相互作用等，形象地展示激光放大的物理過程，加深學員對基本原理的理解。同時，教學中也注重基礎知識與最新前沿的兼顧。例如，在講述“超短脈沖技術”章節時，系統地介紹超短脈沖的基本原理、鎖模技術的基礎知識，同時，專門開設一次課來講述皮秒脈沖、飛秒脈沖在微納加工、激光醫學、飛秒化學、超快科學、超快技術等方面的應用以及阿秒脈沖（10-18s）的最新國際前沿，讓學員不僅掌握每種技術的基本原理、具體應用技術，還能了解每種激光技術的最新國際前沿，拓展學員的知識面。

（三）強化三個能力培養

對于眾多的專業基礎課而言，課程內容的知識覆蓋面一般都比較廣。在教學中讓學員掌握各章節的基本原理、基本概念十分重要，但更重要的是培養學員的創新能力和科研能力。因此，在《激光技術》課程的教學中，我們十分注重學員激光應用能力、光學設計能力、分析總結能力的培養。例如，在培養學員激光應用能力時，課程第一章介紹完“聲光效應”后，在講述“調Q技術”的時候，教師會引導學員去應用聲光效應去實現激光器調Q運轉，在講述“超短脈沖技術”的時候，教師會引導學員去應用聲光效應去實現激光器鎖模運轉。在培養學員光學設計能力時，讓學員單獨設計光路結構來降低施加在電光晶體上的半波電壓，培養學員的光學設計能力。在培養學員分析總結能力時，結合我校的優勢科研方向——激光陀螺，設置專題分析激光陀螺中采用的激光技術。通過三種能力的培養，使學員深刻領悟激光技術的特點、發展趨勢和應用優勢。

三、教學方法探索

（一）緊貼科研的案例式教學

教師通過實例分析的方法來講清相關的基本概念與原理，并充分發揮教員的科研優勢，課堂案例密切結合教師的科研經歷，將科研中實際用的激光技術的相關知識引入到教學過程來，讓學員直接了解科研中的激光技術知識，體會激光技術的應用價值。

例如，在講述“選頻選模技術”這一章節時，在課堂上專門增開一節課講述如何在激光諧振腔里面實現頻率的選擇，結合激光陀螺研究所高精度低損耗鍍膜的科研技術，介紹如何利用多層介質膜反射鏡來選頻，系統介紹了激光器543nm這一綠光譜線的起振條件、膜系設計準則、科研攻關過程與實驗結果；在“穩頻技術”章節中，針對蘭姆凹陷這種主動穩頻技術，引入激光陀螺科研中用到的程長控制鏡技術，詳細地介紹程長控制鏡的基本結構、控制方法、穩頻效果和實驗結果。緊密結合科研優勢，達到科研反哺教學的目的。

（二）基于PROJECT的綜合能力訓練

《激光技術》課程開設在大四的秋季學期，適逢學員考研的關鍵時期，結合大四學員特定時期的學習特點，增設探索性題目，設計合理的專題作為考核的一種具體方式，提升學員的綜合能力。激光陀螺是一種以Sagnac效應為基礎的光學陀螺，是測量載體運動角速率的敏感器件，如圖2所示，現已在戰術飛機、戰術導彈、戰略導彈、巡航導彈、海軍艦艇、潛艇、姿態基準、反坦克制導、穩定控制等多個領域成為慣性導航系統的理想器件。激光陀螺本身就是一只環形激光器，其中涉及到《激光技術》課程中很多的知識點。在教學過程中，教師將學員以班為單位分成若干組，每一組學員在課程結束時提供一份項目報告，學生可以就激光陀螺中涉及的某種激光技術展開深入的論述，例如激光陀螺中運轉的單頻激光，涉及到“選頻與選模技術”章節的小孔光闌法選基橫模的知識，可以就這一點展開分析討論；也可以對激光陀螺涉及的各種激光技術進行全面的闡述，例如，多層介質膜選頻、程長控制鏡穩頻、He-Ne增益氣體、環形諧振腔設計等知識進行歸納總結，通過PROJECT的訓練提高學員的綜合能力。

（三）演示實驗驗證平臺

緊密結合課程內容，增設《激光技術》課程相關的演示實驗或自選實驗環節，提高學員課程認知能力，加深課程教學效果。例如，在“調Q技術”章節增設演示實驗驗證平臺，教學中在介紹完“調Q的速率方程理論分析”后，詳細介紹了各種調Q激光器實現調Q的具體過程，諧振腔里Q值的變化情況及具體控制實現方法，借助“光電技術綜合實驗中心”硬件資源平臺，搭建演示實驗驗證平臺，如圖3所示，在固體激光器諧振腔中插入電光調Q器件前后的激光器輸出功率變化情況，如圖4所示，從圖4可以看出，利用電光效應可以實現諧振腔損耗的調制，提高激光器的峰值功率，壓縮脈沖寬度。將該演示實驗在軍用光電工程和光信息科學與技術本科專業實踐教學中試用并改進，加深學員對理論知識和物理概念的理解。

四、結束語

在《激光技術》課程教學團隊的幫助下，近幾年來，我們在課程教學中不斷積累經驗、總結規律，取得了不錯的教學效果。作為高等院校的科研教學人員，應充分發揮教員的科研優勢，課堂案例密切結合教師的科研經歷，將基本理論和相關技術緊密結合，多從科研工作角度出發，利用科研來反哺教學，深刻領會激光技術的注重應用的特點，以在教學改革的道路上取得令人滿意的成績。

參考文獻：

[1]Anthony E. Siegman. Lasers [M].Oxford University Press，1986.

[2]William T. Silfvast. Laser Fundamentals（ Second Edition） [M]. Cambridge University Press， 2004.

[3]鐘先瓊，胡曉飛，羅莉，侯俊勇，等.《激光原理與激光技術》課程建設與教學改革的實踐探索[J].成都信息工程學院學報，2009，24（4）：422-426.

[4]藍信鉅.激光技術[M].第三版.北京：科學出版社，2009.

[5]張斌，楊開勇，袁杰.從激光技術教學經驗交流談教學與科研的有機統一[J].河南科技，2011，（07下）：27-28.

[6]胡紹民，羅暉.《激光原理》課程教學體會[J].高等教育研究學報，2012，35（1）：71-73.

Teaching Reform and Practice Exploration of "Laser Technology"

YU Xu-dong，TAN Zhong-qi，YANG Kai-yong，ZHANG Bin

（ College of Optoelectronic Science and Engineering，National University of Defense Technology，

Changsha，Hunan 410073，China）

Abstract：Based on the teaching experiences and practice of the course construction and teaching reform of Laser Technology，the teaching reform necessity，teaching design and implementation，teaching method exploration are analyzed and presented in detail. These are helpful to improve teaching quality of "Laser Technology".

Key words："Laser Technology"；teaching reform；practice