"国外激光原理教材研究评介"课题成果综述

发布者:系统管理员发布时间:2019-06-12浏览次数:24

“国外激光原理教材研究评介”课题成果综述

张立彬(南开大学外国教材中心)

 

1960年梅曼(Maiman)发明第一支激光器以来,激光科学技术以其强大的生命力谱写了一部典型的学科交叉的创造发明史。激光的应用已经遍及科技、军事和社会发展的诸多领域,极大地促进了科技的发展和社会文明的进步。当前,科学发展日新月异,激光的实际应用越来越多。作为物理学科最重要的分支之一,激光课程在高等教育中的重要性不言而喻,其课程和教材建设也越来越受到国内外多所大学的重视。众所周知,教材是教学的依托,对课程教学极为关键。因此,非常有必要对国外激光原理方面的现有优秀教材进行研究和评价,以期更好地促进国内激光课程的高等教育。2007年1月,全国13家外国教材中心在高教司的牵头下承担了“教育部外国教材研究项目”(教高司函[2007]2号)。在上述背景下,南开大学外国教材中心申请了“国外激光原理教材研究评介”课题进行了研究,该子项目2008年8月结题。

从众多的国外激光原理教材中挑选出最优秀的教材是一项非常有挑战性的工作。为了出色的完成这个任务,我们充分利用了南开大学在光学方面的强大学术资源,建立了一个卓有成效的研究团队,包括博导、教授、年轻的教师和博士研究生。该项目组从国外优秀激光原理教材的调研着手,本着教材选择应具有代表性、系统性和深度性的原则,从众多教材中选取了10本优秀教材进行评介。其中,对5本最具代表性教材进行了重点详细地评介,而对另外5本涉及面较窄、较专业的激光教材进行了简评。因此,该子项目的研究成果既可以满足不同层次激光原理教学参考的需要,还可以为专业方向的研究者提供参考。该子项目取得的成果主要有七项:(1)宋锋、石得旭撰写的《借鉴外国教材,讲好激光课程》;(2)王明伟撰写的《国外激光教材“Principles of Lasers”评介》; (3)袁树忠撰写的《国外激光教材“Lasers”与国内相关教材评介》;(4)赵国华、张立彬、傅汝廉撰写的《Laser Fundamentals――激光基础》评介;(5)陈扬撰写的《介绍一本优秀的外国教材》;(6)张心正、涂成厚撰写的《国外飞秒激光教材评介》;(7)张丰撰写的《对五本国外激光教材的简评》等。

根据内容情况,笔者从三方面对上述七项成果分别进行了概述。其一,教材的选择不能随波逐流,而应该根据教学对象、教学内容、教学时间等因素来综合选定,鉴于此,宋锋教授对实际工作中如何根据以上因素选择、借鉴外国教材以及讲好相关课程等问题做了讨论。其二,傅汝廉教授、袁树忠教授等清晰透彻地研究介绍了五本国外比较经典的激光教材――《Principlesof Lasers》(4nd Edition)、《Lasers》、《Lasers Fundamentals》、《Lasers andElectro-Optics》、《Femtosecond Laser Pulses � Principlesand Experiments》(2nd Edition),即《激光原理》(第四版)、《激光》、《激光基础》、《激光和光电子学》和《飞秒激光脉冲―原理和实验》(第二版),它们的内容与结构各有特色,适合不同读者阅读,是学好激光课程的好助手。其三,张丰博士概括性地介绍了另外五本激光教材――《Laser Physics and Application: Subvolume Lasers Fundamentals》、《Excimer Laser》、《Few-Cycle Laser Pulse Generation and Its Applications》、《Laser-Tissue Interactions : Fundamentals and Applications》、《Solid-State Laser Engineering》,即《激光物理与应用:上卷A  激光基础》、《准分子激光器》、《少周期激光脉冲的产生与应用》、《激光与生物组织的相互作用:原理及应用》和《固体激光工程》,认为,这五本书可将激光的学习方向细化,着重激光课程的某个方向进行讲述,内容全面翔实。对想深入了解掌握某研究方向的读者,这几本书是很好的选择。现从三个方面对上述研究成果综述如下:

 

一、《借鉴外国教材,讲好激光课程》简介

自上世纪60年代激光问世以来,激光技术得到了迅猛发展,在工农业、国防、医学、科研等领域得到了广泛应用。激光是光学领域的一个重要分支,是现代光学的重要组成部分,在物理学中的份量越来越重。激光课程是光学、光电子技术、物理电子学、凝聚态物理等专业的重要基础课程。在高校,越来越多的学生在学习激光基本原理和技术。

激光作为一门课程,它的教材是必不可少的。选择什么教材对于教学效果起到了举足轻重的作用。教材的选择不能随波逐流,而应该根据教学对象、教学内容、教学时间等因素来综合选定。我校的实际情况决定了激光课程的内容要宽一点,能够覆盖激光原理、激光技术和激光器件方面的主要内容,以激光原理为主,既要有理论知识,但是也要联系具体激光技术和器件。研究生的课程既不能和本科时的激光课程重复太多,又要照顾到那些没有基础的同学。针对这个现实情况,我们选择的教科书涵盖范围要广、起点要低、内容不能肤浅,让没有学过激光课程的同学能够读懂,让学过激光课程的同学觉得深入。为此,笔者对国内外教材做了一些比较分析。

目前国内激光方面的教材已经很多,上世纪末,激光方面的教材基本分为激光原理、激光技术、激光器件三大类。这些教材主要面向本科生,内容相对比较浅,理论不够深入,虽然有些教材的理论知识很丰富,但是激光技术和器件方面的内容偏少。

欧美等发达国家在激光领域的研究比我们先进,应用也比我们广泛。国外教材有一些共同点:(1)内容全面,涵盖了我国高校激光类专业课程设置体系中的激光原理、激光技术、激光器件三门课程;(2)理论完善,从波动方程或者电子振荡模型出发,引入激光的概念,同时对半经典理论和量子理论也进行了介绍。(3)起点低,跨度大,一般要求的理论基础比较低,大学本科生可以读懂,但是学到最后,其难度也加大,需要有足够的时间和知识才能够弄懂,对于本科生来说,有些难;(4)不孤立地讲授激光原理,而是和激光技术、激光器件具体地结合起来,让学生感觉到实用性和趣味性。

但是这些外国教材一般篇幅比较长(比如斯坦福大学的Siegman教授的书有1200多页),成书相对较早,虽然此后再版,但是由于激光技术的发展迅速,有些新的知识点没有更新,起点相对偏低(很多知识我们高中阶段已经学习过)。事实上,在美国很多高校,教师也只是把这些书当成参考书,而不是作为教材,老师们情愿用自己的讲义。这么做的原因包括:这些教材内容多而课时有限、新的知识点不断涌现、学校对学生的要求不同(有些偏理论,有些偏重工程,有些要求高,有些要求一般)、教师个人喜好等。因此,我们也可以以外国教材为出发点,结合国内教材和学生需求,来学习激光课程。

二、五本典型的国外激光原理教材评介

本文分别从书的写作背景、内容、特点和适用对象等四个方面,对五本国外比较优秀的激光原理教材做了评介。希望读者对这五本书有广泛地认识,并进行有选择性地阅读。

2.1 Principlesof Lasers》(4nd Edition

《激光原理》一书是根据意大利米兰理工学院教授斯凡尔多(O.Svelto)从事量子电子学研究特别是固体激光的研究及教学实践而写成的,由英国南安普顿大学(South-Ampton University)安娜(David C.Hanna)译成英文,并于1983年被吕云仙译成中文。此书是在1989年第三版的基础上改编,由Plenum Press 出版社1998年出版的第四版。

本书具有以下内容:第二章详细地描述了自发辐射放大理论,介绍了均匀加宽和非均匀加宽的现象;第三章主要介绍了辐射与半导体介质的相互作用(包括大尺寸半导体和量子阱以及量子点材料);第五章介绍了一种稳定激光腔和非稳腔的新理论,并用ABCD矩阵讨论了动态稳定腔以及非稳腔的高斯横模分布;第六章介绍了二极管纵向和横向泵浦固态激光器,并与灯泵方式做了对比;第七章介绍了适用于四能级和准三能级激光工作物质系统的依赖于空间的速率方程,并讨论了纵向和横向泵浦;第八章用了很长的篇幅介绍了克尔透镜锁模激光器,也讨论了谐振腔二、三阶色散与色散补偿与最后输出脉宽的关系;第九章详细讨论了钛宝石等掺稀土离子的新型可调谐固体激光器;第十章用了很长篇幅讨论了半导体激光器及其特性;第十一、十二章用M2因子和高斯光束讨论了多模激光束的发散特性及其在光学系统的传播特性;

本书具有如下特点:(1)此书内容系统丰富并且深入,具有明确的激光理论指导意义和具体直接的激光工程实践参考价值;(2)此书内容全面深入但易懂、结构合理、概念清晰、插图明了,又配有大量例题和参考答案,正像作者介绍的那样,可以作为不同学习目的读者的学习参考书;(3)此书紧密结合讲述的内容,在每个章节都有大量的应用举例,其中有许多都是作者自己的实验工作经验,这对读者深入理解所述理论甚至掌握具体技术都有很大帮助;(4)本书增加了上世纪八十年代末以来一直到上世纪末新出现的新型激光器、新型激光材料、新型激光技术以及相应的新的激光理论,这些新增加的内容反映了激光领域的新发展,对从事激光研究和利用激光的读者具有很好的指导作用;(5)在插图方面,此书中的插图物理图像清晰,对读者深刻掌握和理解所述内容起到了至关重要并且不可替代的作用。

该书与国内教材相比,有以下优点:(1)内容系统性和深入程度都优于国内教材;(2)章节安排和表述方式以及风格更与国际教材接轨;(3)新增内容比国内教材安排合理,信息全面,表述到位、系统、深入,具有直接的参考价值。

本书作者认为该书可作为相关专业的高年级本科生甚至研究生的专业课教材,也可用作参考书。这本书的内容一个学期是讲不完的。书的组织及结构可以适用不同的学习方式。如果读者强调学习,那么可以主要集中在书的第一部分(28章,11章)。如果读者对激光工程的理论感兴趣,那么就主要集中在书的第二部分(5-12章)。如果读者想了解一个专题,那么可以参考大量的实例和附录。

2.2 Lasers

《激光》这本书是美国斯坦福大学电子工程系的著名教授A.E.Siegman编写,由牛津大学出版社1986年出版。

该书系统而详细地论述了激光物理、激光技术方面的知识,其理论基础主要为经典电子振荡的洛伦兹模型,共分为三大部分。第一部分为激光的物理基础(13章),此部分从激光器的基本问题开始,用经典和半经典理论模型描述了电偶极子跃迁、原子速率方程、激光泵浦和粒子数反转、激光放大、线性和非线性脉冲传输、振荡动力学和阈值等。第二部分为光束和谐振腔理论(10章),这部分分别从射线光学(矩阵光学)和波动光学讨论了激光光束―高斯光束的特性、稳定的两镜谐振腔,并用复合同轴波动光学讨论了同轴谐振腔理论,最后还讨论了非稳谐振腔。第三部分是激光动力学和新的研究课题(8章),此部分从激光动力学讨论了激光的模式竞争、Q开关、模耦合、锁模、烧孔和饱和吸收光谱等。

此书具有如下特点:(1)此书理论基础主要为经典电子振荡的洛伦兹模型,并适当引入原子、分子的能级结构图和能级跃迁这些物理学者所熟知的量子力学概念,从经典的量子电子学论述,让读者从量子电子学的神秘感中解脱出来,从而能轻松地阅读全书;(2)该书物理概念论述清楚、系统,图示和数学表述容易理解,内容丰富,并且该书每一节的后面都有参考文献,便于学生查阅参考;(3)此书每节后面附有精心安排的思考题,使学生便于思考,尽量使学生能够通过这些思考题对书中的内容能有更深刻、准确的理解。

本书主要用于大学高年级本科生和研究生的教学参考书,特别是电子信息类和光学工程等专业高年级学生和研究生学习的好教材。另外本书也适合物理类光学专业学生学习使用,也可以给那些将从事激光研究工作,从而需要学习激光理论的工程师和科学家提供可靠而详尽的激光物理与激光器运转的基础知识。但相对篇幅较长,使用时根据具体情况,可适当选取。

2.3 Lasers Fundamentals》(2nd Edition)

《激光基础》是一本优秀的教科书,作者William T. Silfvast教授在中佛罗里达大学,历时十年于1996年完成第一版,此后分别在1999年、2000年、2003年三次印刷。该书出版后受到读者和编辑的一致好评,作者于2004年完成了第二个版本并出版。

此书详细介绍了激光的各个方面。揭示了光的量子和波的基础特性,利用这些性质解释了粒子反转数、增益、饱合强度、激光阈值之上运转、激励或泵浦、空穴性质、横纵模、高斯光束、不稳定腔、调Q和锁模等,并检验了在气体或等离子体等低密度物质里粒子反转与固态或液态物质等高密度物质的34能级系统具有一样好的增益,提供了包括固态和半导体激光器在内的大多数普通激光器的详细描述和数据。该书第1章讲述了光的基本性质以及光与物质作用原理,第2章到第6章则讲述了光基本的波动特性和量子特性。其中波动特性包括:波动方程的求解、偏振以及光与电介质材料的相互作用。能级、辐射、辐射展宽(在气体、液体、固体中)和受激辐射等则表明了光的量子特性。光放大的概念在第7章中做了介绍。涉及粒子数反转和泵浦的激光放大器特性在810章中做了介绍。第11章讨论了谐振腔的特性与横模和纵模的形成。第12章和13章深入研究了高斯光束和特殊的激光谐振腔。第14和15章介绍了大部分常见激光器。第16章对激光频率变换的非线性光学技术进行了简短的概述。

此书具有如下特点:(1)该书首次发展了诸如相干、能级、辐射线宽和受激辐射等光的基本的波动和量子特性。它用这些特性发展了粒子数反转、增益、饱和强度、阈值之上的激光运转、泵浦和激光谐振腔特性等概念,其中激光谐振腔特性包括横模和纵模、高斯光束、不稳定谐振腔、调Q、锁模等概念。(2)此书所阐述的原理对于所有激光器都适用。书中介绍了大量的固体激光器和半导体激光器,并对常见的激光器给出了详尽的描述和表格数据。最后该书以介绍有关激光的非线性频率变换的章节结尾。(3)此书有自己的独特之处,对许多理论有独特描述,如第4章中的辐射线宽和展宽的处理,第7章中的激光放大器简单模型的发展,第13章中的特殊激光谐振腔的讨论和第14、15章对激光器的总结。(4)全书自始至终在解释每个概念时,总是把能级、辐射、辐射展宽的概念联系到包括气体激光器、液体(染料)激光器和固体激光器的各种激光器中。这样读者能够更好的理解,不仅仅是理解一个特定的激光器而是所有激光器。

书中清晰明了地解释、恰到好处的例证以及课后的作业题使得该书特别适合理工科进修激光课程的高年级本科生和一年级硕士研究生使用。同时,激光的关键内容的摘要、许多独特理论的描述运用、明晰的书目简介使得该书同样适用于激光领域的科研和设计人员。但该书篇幅较大,如果仅有一学期课程则应择其基础部分讲授。

2.4 Lasers andElectro-Optics

《激光和光电子学》一书是有着三十多年商业经历与教学实践的光电子学教授Christopher C. Davis的心血之作,由剑桥大学出版社(CambridgeUniversity Press)出版。Davis教授多年来分别在曼彻斯特大学、康乃尔大学、马里兰大学为大学四年级学生与研究生讲过相关课程,此书是他多年授课的积累。

本书分为两个部分:第一部分(1-13章)由最基本的受激辐射与激光放大切入,讨论了各种激光器的物理基础与工程设计基础,并介绍了谐振腔与辐射特性的产生与控制,以及红宝石激光器、原子气体激光器、分子气体激光器等各种具体的激光器,这一部分还包括对所需基础物理内容的回顾以及在此基础上的半导体激光器的介绍。第二部分涵盖了激光与光电子相关的各方面知识,包括高斯束光学、激光谐振腔、各向异性介质,并介绍光纤、电光与声光设备、非线性光学及谐波产生、参量过程、相位匹配和光学双稳态。本书还包括了光学检测、相干理论和激光应用。1-13章可以作为一个学期的激光课程,第24章有其具体应用。14-19及23章是光学设计、光电设备、光学检测的基础。20-22章的材料较难,是作为这学期课程与研究生课程的过渡。本书还列举了许多激光器与光电设备在设计、结构、特性上的例子。

本书具有如下特点:(1)本书的体系结构经过作者的精心安排,非常完整,让大部分读者均能迅速上手;(2)本书的起点较低,从黑体辐射与爱因斯坦公式这个最基本的出发点构建了完整的激光理论,内容翔实,读者只需要有基础的物理学知识,就能通过本书学习而入门精通;(3)本书的推导步骤详细,过程严密,读者不需要借助其他参考书便能完全理解;(4)本书的许多章节都有简明而具有代表性的例题,涵盖了整个章节的重点与难点,使读者能对章节内所得到的公式加以具体应用,解决实际问题;(5)本书附有许多表格,详细开列了计算与应用所需的常数,方便读者的查找,完全可以代替其他工具书。

该书很适合电子工程和物理系的学生,由于此书起点低、内容翔实、推倒严密、结构完整,任何程度的读者都可以理解掌握。

2.5 FemtosecondLaser Pulses � Principles and Experiments》(2nd Edition)

此书《飞秒激光脉冲―原理和实验(第二版)》是由法国Bordeaux大学的Claude Rulliere教授编辑,它是作者在1992年开始培训法国飞秒中心的科学家使用飞秒激光的过程中,随着日积月累在很多专家的努力下而逐渐形成的。

该书共有12章:第1章简单回顾了激光的基本原理:受激辐射、粒子束反转、谐振腔的稳定性以及激光产生;第2章介绍超短脉冲通过不同的光学器件和样品时实验中的基本问题,以及脉宽与带宽之间的关系及脉冲光下出现的各种非线性效应;第3章描述如何通过锁模方式产生超短脉冲,包括锁模原理、主动锁模、被动锁模以及自锁模等;第4章首先介绍几种典型的超短脉冲激光器,然后讲非锁模产生超短脉冲的方法,最后讲超短脉冲激光器的最新进展;第5章主要介绍半导体脉冲激光器及其特征;第6章主要介绍现有的操控和改变超短脉冲特征参数的方法,如脉宽压缩、放大及波长调谐等;第7章详细介绍如何测量超短脉冲的特征参数,如能量、功率、脉冲时间轮廓、光谱测量、振幅-相位测量(包括FROG、频率快门、SPIDER等方法)等;第8章描述了分析样品动力学的几种基本的光谱学方法,如泵浦探测技术、时间分辨发射谱、电子学方法(如条纹相机、单光子计数)和光学方法(如克尔快门、上转换荧光法)、时间分辨激发相关光谱、瞬态快门技术等,最后展示了几个典型的实验及结果,如基于克尔效应的一些研究、波分复用中衍射图样的直接观测等;第9章主要涉及当脉宽和样品的相干时间一样短时所遇到的问题,以及利用布洛赫方程得到的一些简单影像;第10章主要讲太赫兹波的产生、测量及时域太赫兹光谱;第11章回顾利用物理过程中的相干控制来调控原子、分子在固体中的演化,并用几个导向反应的例子说明了这种技术的可行性;第12章介绍了如何利用飞秒与物质相互作用产生高阶谐波,并可作为阿秒脉冲源的问题。

该书具有如下特点:(1)内容全面,既讲解了飞秒脉冲的基本原理又讲解了如何使用飞秒脉冲;(2)本书强调“前沿热点”,反映了国内、国外物理学研究发展的实际情况,体现了相关学科的最新进展。此书适用于那些没有必要被培训成激光专家,但是希望运用飞秒脉冲或获得对这种工具的正确理解的工程师以及研究人员,也适用于研究生或博士生学习使用。

三、五本相关的国外激光原理教材点评

除上述详细研究介绍了五本国外激光教材外,本课题组还选择了另外五本书籍做了相对简单的点评,这些书有的着重原理基础,有的强调实际应用,希望能使读者对与激光相关的教材有一个较为全面的了解。

Laser Physics and ApplicationSubvolume Lasers Fundamentals》即《激光物理与应用:上卷A  激光基础》,它由德国众多物理学家编著而成。现今主要的相关科技发展方向是产生适合于自然科学和工业生产的短波长、短脉冲、高效率和高功率的光学激励,激光在现代科学研究中的作用正日益增大,此书正是在这样的背景下著成。它从原理出发,详细地介绍了激光的基础知识,其结构合理、思维缜密、内容丰富。书中列举了大量实验数据,以论证所介绍的内容,从而为广大的读者给出了可信的数据、物理的基本原理和细节参考,这也使得本书内容更加的丰富多彩。

C. K.Rhodes所著的《Excimer Laser》(《准分子激光》)这本书涵盖了理论、实验及应用各方面。它有几个细节与以往的书籍相比是比较突出的,包括已经获得的关于一种三分子核素的可观认识、干涉稀有气体系统光谱亮度的重要预见、应用软件的展开讨论、汞卤化物上的部件以及对激活稀有气体媒质的动力学模型和技术的精密性的说明等。文中涵盖内容全面,解析透彻清晰易懂,为同类书籍中的典范,对初学者很有帮助,适合于高校学生和专业人士阅读。

Few-Cycle Laser Pulse Generation and Its Applications》(《少周期激光脉冲产生与应用》)由德国的Franz X.Kaertner编著,是超快激光物理学领域中的专门介绍少周期激光脉冲的书籍。它涵盖的内容全面并且具体,在理论和实验方面都做了详细介绍,并收录了它的各种应用。本书从三大方面对少周期脉冲进行了描述:第一部分专门讨论源发展,第二部分专门介绍两大脉冲表征技术,第三部分包含了少周期源的一些关键应用。本书对于少周期脉冲的介绍较为全面,既有基础部分也有提高部分,由浅入深,对于要了解和学习少周期脉冲的人们有很大的帮助,是一本较为适宜的书籍。

德国的Markolf H. Niemz所著的《Laser-Tissue Interactions: Fundamentals and Applications》(《激光与生物组织的相互作用:原理及应用》)一书包含了在医学专业中激光交感机械装置和应用的概论,也略微谈到了与物质的光学相互作用(反射、折射、吸收和散射)以及安全设备。作者声明他的目的是给出统一、标准的、可理解的原文,以便于涵括在医学应用中激光器的最新应用。对于医学中的一些最新的激光应用,这本书有很完善的介绍。全文解说清晰,并有丰富的材料,便于读者理解。书中内容十分全面,唯一的不足之处就是对最近突现出来的激光在皮肤病学中的化妆美容应用预期的缺失,但它对提出激光医学方针的人仍然是颇有价值的信息来源。

Solid-State Laser Engineering》(《固体激光工程》)是美国的Walter Koechner的著作。此书的内容较为详细,思路清晰、层次分明,具有很强的逻辑性而自成系统。此书详细论述了固态激光的特性、设计和结构等内容,着重强调激光在工程中的应用,以及利用模型现象首先得出准确的物理依据等问题。由于本书是第五版,做过了大量的校正修改,鲜有错误,并且紧随时代脚步,收录了一些近代相关研究的情况,介绍了二极管激光器泵浦、激光和非线性晶体、有源Q开关以及高损耗阻抗光学膜领域的最新发展。本书是一本很适合固态激光工程专业的科研人员,以及相关专业大学高年级本科生、研究生和教师阅读的书籍。

 

为提高国内激光原理教材建设的水平,进一步借鉴外国激光教材的前沿理论与科学体系,对其进行评介研究是一项意义重大的工作。从微观上看,该项目有助于国内激光研究领域的发展:在基础教学方面,教材编制的完善和课程设置的科学性是培养人才的第一步;在前沿理论研究方面,先进的研究成果是推动该领域发展的动力,给国内激光研究提供了较好的资源和平台。从宏观上看,该项目的研究是国内高等教育教材改革的一部分,有利于解决国内高等教育在教材编制、前沿理论研究、课程设计等方面与国际脱轨的现状。该课题的研究方法同样也适用于国内其它学科的教学改革,有助于推动各类学科的同步发展。本课题通过对国外教材的评介研究,既可熟悉国外教材的撰写思路和科学体系,也可为国内教材建设提供有力指导,特别对我国高校在激光原理课程的设计方面具有重要的参考价值和实践意义。

 

 

 

[作者简介]  张立彬(1964―),男,河北石家庄人,南开大学图书馆副教授,现主要从事信息文化、信息技术和外国教材研究,发表各类学术论文90余篇,其中被《新华文摘》全文转载或论点摘编4

 

张立彬联系方式:zhanglibin@nankai.edu.cn;手机:13702106881