激光原理與技術(shù)緒論課教學設計

劉蘋 徐威 朱志宏 袁曉東 張檢發(fā)

摘? 要：緒論作為一門課程的開場白和“序曲”，是不可缺少的教學環(huán)節(jié)，對后續(xù)課程的開展起著提綱挈領(lǐng)的作用。該文以激光原理與技術(shù)課程為例，結(jié)合課程教學團隊的授課經(jīng)驗以及對本課程的理解和體會，提出利用緒論課激發(fā)學生學習興趣、建立學習主線的有效方法。我們從歷史、應用和前沿三個維度對緒論課進行了精心設計：回顧歷史——詳述激光的發(fā)明過程，展示應用——介紹激光的重要應用，緊貼前沿——介紹與激光相關(guān)的諾貝爾獎。通過該緒論課的講授，啟發(fā)和培養(yǎng)學生學習激光原理與技術(shù)課的濃厚興趣，使學生能夠明確學習目的，端正學習態(tài)度，最終達到師生情感交流的良好狀態(tài)，保證今后教學的順利實施。

關(guān)鍵詞：激光原理與技術(shù)；緒論課；教學設計；激光簡史；激光應用；諾貝爾獎

中圖分類號：Ｇ642? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：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

緒論作為一門課程的開場白，是學生最先接觸一門課程的開始，是一門課程的“序曲”和不可缺少的教學環(huán)節(jié)，對后續(xù)課程的開展起著提綱挈領(lǐng)的重要作用[1-2]。

激光原理與技術(shù)課程（以下簡稱“本課程”）是國防科技大學光電專業(yè)的本科生專業(yè)課，屬于核心專業(yè)課。本課程的核心內(nèi)容是激光，以激光的原理和技術(shù)為主線。通過本課程的學習，目的是使學生掌握激光器的工作原理及常用的激光技術(shù)[3]，為學生未來從事光電子科學與技術(shù)工作打下必要專業(yè)知識。

由于激光原理與技術(shù)課程內(nèi)容理論性強，概念多且比較抽象，很多學生進入本課程學習后表現(xiàn)出不適應，失去了學習激光原理與技術(shù)的興趣。俗話說“知之者不如好之者，好之者不如樂之者”，興趣是求知的最大動力。因此，如何充分調(diào)動學生學習激光的興趣，是一項值得各位授課教師深入探索的課題，而緒論課是學生接觸一門課程的開始。所以，興趣的培養(yǎng)要從緒論課開始，進而貫穿到整個課程的教學活動[4]。一堂生動有趣、緊跟前沿的緒論課，可以把學生引入豐富多彩的激光世界，激發(fā)學生學習激光的熱情，提升學生的學習效果。

近幾年，我們通讀了多個版本的激光原理與技術(shù)相關(guān)教材[3，5-8]，發(fā)現(xiàn)緒論部分的內(nèi)容都略顯枯燥，無法很好地激發(fā)學生學習興趣。針對這種情況，我們在結(jié)合自己教學實踐的基礎(chǔ)上，對激光原理與技術(shù)緒論課進行了深入的思考及巧妙的設計。接下來，將從緒論課引入、激光發(fā)明簡史、激光應用以及與激光相關(guān)的諾貝爾獎四個方面來剖析如何通過緒論課激發(fā)學生學習興趣。

一緒論課引入

1960年，世界上首臺紅寶石激光器誕生，使人們看到了激光作為未來軍事武器的可行性。在這一背景下，科幻小說家童恩正于1963年，創(chuàng)作了涉及激光元素的科幻小說《珊瑚島上的死光》。該小說講述了中國科學家陳天虹在馬太博士的幫助下，利用激光武器打敗國際黑暗勢力，成功將高效原子電池和“死光”設計圖帶回國家的故事。

該小說在1978年被改編成同名電影（圖1），其被劉慈欣評價為“中國科幻片鼻祖”。影片中，陳天虹在回國途中，乘坐的飛機被敵人核潛艇所裝載的空中武器擊落，掉落海中，在被鯊魚吞食的千鈞一發(fā)之際，一道神秘的激光閃過，鯊魚即刻死去，這道神秘的激光正是來自馬太博士所研制的“死光”武器。這種武器能量巨大，威力驚人，隨便一束光線便能夠開山裂石，給當時的觀眾制造了非常大的震撼。影片中的“死光”其實就是今天所熟知的激光，那么激光究竟是如何研制出來的呢？接下來我們就一起進入激光的發(fā)明簡史。

二? 激光簡史

激光的英文單詞——“LASER”，是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的首字母縮寫，翻譯為“受激輻射放大的光”。很顯然，激光的本質(zhì)是光[9]。那么想要探究激光的發(fā)明歷史，必須追溯到人們對光本質(zhì)的探索。

（一）光本質(zhì)探索階段

17世紀，惠更斯主張光是以一定方式沿空間傳輸?shù)牟▌舆^程，建立了波動說；而牛頓主張光是以經(jīng)典方式運動著的微小粒子，建立了微粒說。但是當時這兩種描述是分立的，分別描述了光不同狀態(tài)時的特性，因此單純地用波動或粒子均不能完整地描述光的性質(zhì)。

19世紀，麥克斯韋建立了光的電磁場理論，把光看成是頻率在某一范圍的電磁波。能解釋光的傳播、干涉、衍射、散射和偏振等現(xiàn)象，以及光與物質(zhì)相互作用的規(guī)律。但是19世紀末，人們在進行黑體輻射實驗時，發(fā)現(xiàn)黑體輻射的能量不是連續(xù)的，其對于波長（頻率）的分布僅與黑體的溫度有關(guān)。從經(jīng)典物理學的角度看來，這個實驗的結(jié)果是不可思議的。

當時，人們都是從經(jīng)典物理學出發(fā)尋找實驗的規(guī)律。德國物理學家維恩建立起黑體輻射能量按波長分布的公式，但這個公式只在低頻階段才和實驗符合（如圖2（a）所示）。英國物理學家瑞利和金斯認為能量是一種連續(xù)變化的物理量，建立了瑞利-金斯公式，該公式在低頻階段與實驗相吻合，但是在高頻階段卻和實驗數(shù)據(jù)相差甚遠，這種高頻發(fā)散被稱為“紫色災難”（如圖2（b）所示）。這些失敗實際上已經(jīng)暴露了經(jīng)典物理學的缺陷。因此，要想在全波段解釋黑體輻射實驗結(jié)果，必須突破經(jīng)典理論。

到了1900年，普朗克打破了傳統(tǒng)電磁場的觀念，大膽地提出了能量量子化的概念：物體在吸收或輻射電磁波的時候能量是不連續(xù)的、是一份份的，這些基本能量單位只與電磁波的頻率有關(guān)，并且和頻率成正比

利用該假設，普朗克推出了著名的黑體輻射公式

完美地解釋了黑體輻射實驗結(jié)果。

1905年，為了解釋經(jīng)典物理學無法解釋的光電效應，愛因斯坦在普朗克能量子假說的基礎(chǔ)上，把量子性從輻射的機制引申到光的本質(zhì)上，提出了光量子假說。認為光本身也是不連續(xù)的，光不僅在吸收和發(fā)射時是量子化的，而且光的傳播本身也是量子化的，恢復了光的粒子性，使人們終于認清了光的波粒雙重性格，而且在此啟發(fā)下，發(fā)現(xiàn)了德布羅意物質(zhì)波，使人們認清了微觀世界的波粒二象性，為后來量子力學的建立奠定了基礎(chǔ)。

。（3）

（二）? 概念階段

1913年，波爾在普朗克能量子概念的基礎(chǔ)上提出了氫原子結(jié)構(gòu)模型，創(chuàng)造性地將量子概念與盧瑟福的原子核式模型結(jié)合，建立了自己的“玻爾模型”（如圖3所示）。定態(tài)假設、躍遷假設、角動量假設，其中躍遷假設為當原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)時，發(fā)出或吸收單色輻射的頻率滿足

成功地解釋了氫原子和類氫原子的光譜特性，并因此獲得1922年諾貝爾物理學獎。

1917年，愛因斯坦在玻爾原子結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，用光量子概念重新推導了黑體輻射的普朗克公式，從理論上指出，當光與物質(zhì)相互作用時，除了吸收和自發(fā)輻射，還存在第三種過程——受激輻射。受激輻射過程中，一個頻率合適的入射光子誘發(fā)處于高能級狀態(tài)的原子系統(tǒng)躍遷到低能級狀態(tài)，額外釋放出與入射光子完全相同的光子。如果有足夠多的微觀粒子處在高能級，受激躍遷會發(fā)生連鎖效應（如圖4所示）。一個光子產(chǎn)生兩個光子，兩個產(chǎn)生四個，不斷往前推進，受激輻射產(chǎn)生的光子會呈幾何級數(shù)增長，最終產(chǎn)生大量具有相同狀態(tài)的光子，在第一章“激光的相干性描述”的學習中，大家會知道這是強相干光，也就是激光。由此可見，受激輻射是激光產(chǎn)生的理論條件。提醒學生在第三章“激光產(chǎn)生的基本原理”中，會對受激輻射進行詳細介紹。

（三）? 準備階段

自從受激輻射的概念提出后，大家一直在尋找實現(xiàn)原子受激輻射的條件，但是一直沒找到。直到1940年，V.A Fabrikant博士在其博士畢業(yè)論文中，提出了要想產(chǎn)生受激輻射，必須實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。一般情況下，物質(zhì)處于熱平衡狀態(tài)，粒子數(shù)的分布滿足玻爾茲曼分布上能級的粒子數(shù)永遠小于下能級的粒子數(shù)，那么受激輻射弱于吸收。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)意味著增益介質(zhì)要遠離平衡態(tài)，從而處于上能級的粒子數(shù)超過處于下能級的粒子數(shù)（如圖5所示），這樣光在增益介質(zhì)中傳播時受到的增益才可能大于損耗，達成對光的放大。提到新的名詞時，比如“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”“增益介質(zhì)”等，提示學生在后續(xù)的第三章“激光產(chǎn)生的基本原理”中將會詳細介紹。

實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就能使原子產(chǎn)生受激輻射，就有可能產(chǎn)生激光，因此科學家們開始全力尋找實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的方法。1948年，柏塞爾在實驗中通過傳統(tǒng)光源泵浦首次實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，并獲得了每秒50千赫茲的受激輻射，成功驗證了愛因斯坦的受激輻射理論。

1950年，卡斯特勒發(fā)明了光泵（圖6），并用光泵浦的方法實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)。由于他提出利用光學手段研究微波諧振的方法而獲得1966年諾貝爾獎。

（四）? 實施階段

至此，產(chǎn)生激光的條件已經(jīng)具備，大家開始爭相研制激光器。

1951年，湯斯（C.H.Townes）產(chǎn)生了如何做MASER（Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation，譯為“利用受激輻射對微波進行放大”）的思路，利用氣體放電可以讓一小部分氨分子處于激發(fā)態(tài)，然后通過磁場把處于基態(tài)的氨分子和處于激發(fā)態(tài)的氨分子區(qū)分開來，將激發(fā)態(tài)的氨分子注入到一個微波諧振腔里，在這個諧振腔里就實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。經(jīng)過三年的努力，世界上第一臺MASER問世（圖7）。

既然可以在微波頻段制造MASER，那能否在更高頻率的頻段實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，建成光波波段的激射器（也就是激光）呢？很快在實現(xiàn)過程中碰到了難點：如果仿照微波的做法，做一個波長大小的諧振腔，難度非常高。當時，湯斯認為幾乎不可能通過受激輻射實現(xiàn)對光波的放大。這時候，肖洛提出可以用法布里-珀羅腔作為激光器的諧振腔。1958年，肖洛和湯斯在Physical Review上合作發(fā)表了一篇理論文章《Infrared and Optical MASERs》（圖8），這篇文章論證了將微波激射技術(shù)擴展到紅外和可見光的可能性，第一次在理論上預言了激光的可行性，是激光發(fā)展史上具有重要意義的一片論文。

湯斯考慮用光抽運氣體，以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，得知庫什有一個博士生叫古德（Richard Gordon Gould， 1920—2005年）對光抽運有經(jīng)驗，就與他進行了兩次深入交談。在與湯斯討論時，古德意識到難點在于尋找合適的諧振腔。經(jīng)過幾個星期的思考，古德也獨立想到可以采用法布里-珀羅腔作為激光的諧振器。1959年，古德將自己關(guān)于激光的構(gòu)想寫在了實驗本上，題目叫《Some rough calculations on the feasibility of a LASER： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation》（《關(guān)于激光：基于受激輻射光放大可行性的一些粗略計算》），這是LASER這一術(shù)語第一次被提出，我們今天所熟知的激光的名字就來源于此。

1958年起的兩年內(nèi)，肖洛到處說紅寶石不能用來做激光的增益介質(zhì)，由于他已經(jīng)被認為是這個領(lǐng)域的權(quán)威，大家都不再考慮紅寶石，但是梅曼卻對此持懷疑態(tài)度。他認為不一定非要用連續(xù)光來抽運紅寶石，換成脈沖光能夠避免過熱問題。因此，梅曼利用螺旋形閃光燈為抽運源，紅寶石晶體為增益介質(zhì)，法布里-珀羅腔為諧振腔（提醒學生，在第二章“光學諧振腔的一般性質(zhì)”中詳細介紹“法布里-珀羅腔”），終于在1960年5月16日下午，獲得了694.3 nm波長的紅色激光，第一臺激光器就此誕生（圖9），梅曼僅用了9個月的時間和幾千美元的經(jīng)費，最終贏得了這場世界范圍內(nèi)的激光研制競賽。從此，激光作為一種新事物登上了歷史舞臺。

（五）? 百花齊放階段

隨著第一臺激光器——紅寶石激光器的誕生，He-Ne激光器、氬離子激光器、半導體激光器等各種激光器如雨后春筍一般層出不窮。

中國科學院長春光學精密機械研究所王之江教授于1961年8月成功研制出我國第一臺紅寶石激光器，比世界上第一臺激光器只晚了18個月。由表1可知，我國與世界上第一臺同種類型的激光器問世時間相比并不落后，我國的激光技術(shù)在當時已達到世界先進水平，進一步激發(fā)學生的愛國熱情和民族自豪感。

綜上，回顧60多年前這段群雄逐鹿的激光發(fā)明歷程，一方面，有利于引導學生逐步揭開激光的神秘面紗，使其在對科研工作者們心懷敬意的同時，受到智慧的啟迪。另一方面，幫助學生建立起本課程的主線，有利于學生梳理各章節(jié)錯綜復雜的內(nèi)容，促進各章節(jié)知識的融會貫通，提高學習效率。

三? 激光應用

六十多年后的今天，激光已經(jīng)無處不在，且深深地影響著生產(chǎn)生活。如圖10所示，在醫(yī)學領(lǐng)域，飛秒激光像一把精密的手術(shù)刀，用于治療近視、美容等；在微加工領(lǐng)域，由于其對材料周圍影響極小，能安全的切割、打孔、雕刻，甚至應用于集成電路的光刻工藝中。

激光在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中發(fā)揮著極其重要的作用。結(jié)合軍?；A(chǔ)課程教學的軍事應用背景，向?qū)W生展示各種先進的激光武器系統(tǒng)以及激光偵察（如激光測距、激光通信、激光雷達）、激光制導、激光陀螺等，如圖11所示。

然而，一臺簡單激光器出射的激光束，其性能往往不能滿足應用的需要，需要各種激光技術(shù)來控制和改善激光的輸出特性。提醒學生在第六章“激光技術(shù)”的講授中，會結(jié)合具體應用實例重點介紹調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)、穩(wěn)頻技術(shù)等，幫助學生梳理課程脈絡，以便學生自主學習。

綜上，利用信息化教學手段，向?qū)W生展示激光在其生活、生產(chǎn)、軍事中的應用，既能使學生更加形象直觀地認識激光，還能使其認識到激光的重要性。通過該部分內(nèi)容的介紹，為學生學習激光原理與技術(shù)課程鋪墊心理基礎(chǔ)，有助于后續(xù)教學的順利開展。

四? 與激光相關(guān)的諾貝爾獎

縱觀諾貝爾獎百年歷史，與光學直接或間接相關(guān)的獲獎成果多達40余項，約占諾貝爾物理學獎的40%。其中，在1960年后，幾乎所有與光學相關(guān)的諾貝爾獎或多或少都與激光有關(guān)聯(lián)。挑選其中幾項，向?qū)W生簡單介紹。

1964年，諾貝爾物理學獎授予湯斯，以表彰他在微波激射器、激光器發(fā)明方面的理論貢獻，以及研制出微波激射器。這也是激光最早獲得的諾貝爾獎。

1971年，伽博·丹尼斯因利用激光發(fā)明并發(fā)展了全息照相法（圖12）而獲得了諾貝爾物理學獎，該技術(shù)大量運用在科幻電影中，在緒論課中播放《阿凡達》中的全息沙盤展示、《鋼鐵俠》中的懸空投影，讓學生更形象直觀地感受激光全息照相的神奇魅力。

1981年，諾貝爾物理學獎授予布隆姆伯根和肖洛，以表彰其為發(fā)展激光光譜學所作出的突出貢獻。

1997年，朱棣文、克洛德·科昂、威廉·菲利普斯因發(fā)展了用激光冷卻和捕獲原子的方法，而獲得了諾貝爾物理學獎（圖13）。激光冷卻技術(shù)是通過激光光子與運動的原子碰撞，從而使得原子減速，獲得超低溫原子。利用該技術(shù)，科學家首次觀測到了物質(zhì)的第五態(tài)--玻色-愛因斯坦凝聚態(tài)。

1999年，艾哈邁德·澤維爾因運用激光技術(shù)觀察到化學反應過渡態(tài)的變化過程而獲得諾貝爾化學獎（圖14），這也是諾貝爾化學獎第一次頒發(fā)給激光領(lǐng)域。

2009年，諾貝爾物理學獎授予英國華裔科學家高錕，以表彰他在“有關(guān)光纖通訊領(lǐng)域”作出的突破性成就。光纖帶來了通訊劃時代變革，高錕“光纖之父”的美譽傳遍世界。

2017年，諾貝爾物理學獎授予雷納·韋斯、巴里·巴里什和基普·索恩，以表彰他們“在激光干涉引力波LIGO探測器的決定性貢獻以及探測到引力波的存在”（圖15）。引力波的發(fā)現(xiàn)是對廣義相對論預言的驗證，同時打開了探索宇宙的新窗口，這對理解宇宙的演化，大尺度結(jié)構(gòu)的形成過程、黑洞物理，甚至量子引力帶來極大的幫助。

2018年，諾貝爾物理學獎授予亞瑟·阿什金、杰哈·莫羅和唐娜·斯特里克蘭，以表彰其“在激光物理領(lǐng)域的突破性發(fā)明”——“光學鑷子及其在生物系統(tǒng)的應用”“產(chǎn)生高強度超短光學脈沖的方法”（圖16）。

綜上，通過介紹與激光相關(guān)的諾貝爾獎，開拓學生的科研視野，進一步激發(fā)學生學習激光的興趣。

五? 結(jié)束語

緒論課是課程的第一節(jié)課，其授課好壞直接影響后續(xù)的授課效果。為了充分調(diào)動學生學習的積極性，達到預期的授課目標，本文以激光原理與技術(shù)課程為例，從四個方面設計緒論課：首先以問題為引入——“激光是如何從科幻照進現(xiàn)實的”；再逐層挖掘激光的發(fā)明歷程，從對光本質(zhì)的探索，到1917年受激輻射概念的提出，再到利用粒子數(shù)反轉(zhuǎn)實現(xiàn)受激輻射，最終在1960年世界上第一臺激光器問世；緊接著，介紹激光在生產(chǎn)、生活、軍事中的重要應用，引導學生更加直觀地認識激光，體會激光的重要性；最后，介紹與激光相關(guān)的諾貝爾獎，進一步激發(fā)學生學習激光的興趣，使學生更多地投入到激光物理科學研究中。通過教學實踐的反饋，此緒論課的設計，環(huán)環(huán)相扣，層層遞進，不斷激發(fā)學生的學習興趣，而且在緒論課的講授過程中，梳理了本課程的脈絡，使學生更加順利地進入新學科的學習。

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