借鉴外国教材.doc

借鉴外国教材，讲好激光课程宋锋（南开大学物理学院 天津300071）石得旭（南开大学外国教材中心 天津 300071）摘 要 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。本文对在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论述。关键词 外国教材 教材选择 激光 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。 我校在本科生阶段的培养中，光电信息科学与技术专业、光电子技术专业都开设了激光原理必选课。对于研究生阶段，以前没有开设专门的激光课程，有需要的学生通过自学或者去旁听本科生的课，随着学生在科研上和毕业后工作的需要，越来越多的学生希望在研究生阶段开设激光方面的课。从2003年起，我面对物理学院的研究生开设了激光物理与器件的选修课程。选修人数逐年增多，2007年达到40余人。我们的目的是通过本课程的学习，使学生在掌握激光基本原理基础上，较全面地掌握基本激光技术，了解激光器件，既具有一定的理论基础，又具有一定的实际操作能力。与本科生的同类课程相比较，要做到没有学过此类课的学生能够学懂，同时让他们能够学到更深入的理论知识和实用技能，为光电子学、光纤通信等后续课程打下基础，也为学生将来成为光电方面研发管理和应用的高级人才打下专业理论基础。同时通过此课程，培养学生的逻辑思维能力，训练他们分析问题解决问题的能力。 一门课程，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。在本课程的讲授中，我们注重针对学生的具体特点，利用南开大学图书馆外国教材中心提供的激光方面的教材，多角度多渠道借鉴利用，取得了比较好的效果。一、 课程概况和学生现状 在决定给物理学院的研究生开设激光类课程时，我们通过调研，发现学生学习激光课程的原因有以下几种：1，跟随的导师从事激光类方面的科研，比如从事光纤激光器、激光二极管抽运固体激光器等课题研究，这些同学自己以前学过或没有学过，现在急需深入学习和掌握有关激光原理技术和器件方面的知识。2，即将从事的课题要用到激光器和相应的激光知识，比如进行生物医学光子学、非线性光学、光学材料特性研究的课题中，需要了解激光的特点、光和物质相互作用、激光器的使用、高斯光束的准直等知识。3，对激光有着浓厚的兴趣，虽然目前的课题没有用到激光，但是自己对激光的兴趣，以后完全有可能会用上激光。而学习激光的学生来源也比较宽，为物理学院部分研究生，其专业有凝聚态物理、光学、光子学与技术、测试计量技术等。有些学生在大学的时候学习过激光原理课程，有些则没有，但是都学习过光学、电动力学、量子力学等物理类基础课程。 根据这些实际情况，我们决定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。我们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，我对国内外教材做了一些比较分析。二、 国内外教材基本情况 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，其中周炳琨编著的激光原理是出版比较早、影响比较大的一本教材，重点讲述了有关激光方面的原理，兰信矩等编的激光技术也是多次出版。另外还有一些包含更多理论的激光教材，如：伍长征等编写的激光物理学（复旦大学出版社，1989），钱梅珍，崔一平，杨正名的激光物理（电子工业出版社1990），也有一些讲述激光原理激光技术和激光器件的教材，如 徐荣甫，刘敬海的激光器件与技术教程（北京工业学院出版社1986）、李相银的激光原理技术及应用（ 哈尔滨工业大学出版社）。此外还有一些就激光某一个方面进行论述讲解的教材或专著，如吕百达的激光光学（四川大学出版社，1986），魏光辉，朱宝亮的激光光束学（北京工业学院出版社，1988）等等。 这些教材主要面向本科生，内容相对比较浅，理论不够深入，而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。 欧美等发达国家的激光领域的研究比我们先进，应用也比我们广泛。编写的教材也很多，其中有几部教材在中国影响比较大，比如A.E.Siegma的Lasers，该书系统而详细地论述了激光物理、激光技术方面的知识，内容全面，其理论基础主要为经典电子振荡的洛伦兹模型。W.T.Silfvast 的Laser Fundamentals于1996年出版，并于2004年再版，该书从波动方程出发，介绍了光与物质相互作用，进而引入受激辐射等激光方面的基本概念，其后讲述了谐振腔及其理论、常用激光技术，并介绍了常见的激光器。在讲述概念的时候，注意与具体的激光器联系起来，让大家感觉到理论不是鼓励枯燥的。该书的起点低，但是跨度大，涵盖内容多。除了上面两部美国出版的激光教材外，意大利O.Svelto撰写的(D.C.Hanna翻译成英文)的Principles of Lasers也是一本颇有影响的教材，并已经出了第四版（1998年），与上面两本教材相比较，除了减少了激光原理、激光技术、和激光器件外，该书的一个特点就是有很多量子力学方面的知识，并介绍了新的器件及其特性。 这些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，不孤立的讲授激光原理，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Siegman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，比如我在美国亚利桑那大学光学中心做博士后期间，旁听他们激光物理课程，所用教材就是老师自己编写的讲义。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。三，我们的做法 国内的教科书阅读方便，但是每本书的内容比较少，要想把激光原理、激光技术、激光器件都讲到，往往需要两三本教材，而且，这些书主要是针对本科生编著的教材，对于研究生不是特别适用，尤其是对于那些本科阶段已经学过激光原理的学生来说，更是不太合适。相比之下，国外的教科书可能更加合适一些，一方面，内容比较多，理论和实际结合得很好；另外一方面，可以让学生接触到专业术语，对他们阅读专业英文文献大有裨益。但是一般英文书比较昂贵，学生买不起。而且如果我们选用了以上介绍的某本教材，里面很多简单的内容，有些学生在大学里都学过。比如Laser Fundamentals第2-6章讲述了光的波动特性和量子特性，而这些内容我们的学生在电动力学和量子力学中大多都学习过了。而很多过于深入的话题，比如Principles of Lasers用很长的篇幅讲了克尔锁模激光器啁啾脉冲放大等前沿技术，这些知识对于大多数学生（包括不研究激光本身，或者研究激光其它方向课题的学生）来说，并不需要深入了解，如果我们要讲授，不可能在一个学期讲完。 有鉴于此，我决定在借鉴国内外的教材的基础上，自己编写课件，课件全部用英文编写。下面列出主要内容和借鉴的主要外国教材（国内教材则没有一一列举）。第一章：激光基本概念，介绍了光子、自发辐射、受激吸收、受激辐射的基本概念，激光的定义和特性、激光器的组成。参考了Optic and Lasers (Young Matt) 有关章节。第二章：激光谐振腔。从两个方面来分析谐振腔。其一是用几何方法，即ABCD矩阵法和传播圆法，得到腔的稳定。其二是从波动方程出发，结合谐振腔的具体边界条件，介绍高斯光束及其变换、模式等知识。主要参考了Laser Fundamentals11-13章，Principles of Lasers第5章，Lasers有关章节。第三章：光与物质相互作用的经典理论，利用波动方程和电子振子模型，阐述吸收与发射截面，线型与增宽等内容。主要参考了Lasers以几University of Arizona的激光物理讲义的有关章节。第四章：速率方程和激光运转，详细介绍了速率方程理论及其在连续激光运转时的稳态解，对有关增益（包括小信号增益，增益饱和）、阈值、输出功率、空间烧孔、光谱烧孔、频率牵引等激光原理知识做了讲解。主要参考了Lasers7-8章，Principles of Lasers第7章，以及Lasers的有关章节。第五章：对常见激光技术包括调Q、锁模、调制等做了介绍。主要参考了Laser Fundamentals14-15章，Lasers9-10章。第六章：激光放大技术、选模和稳频。主要参考了Laser Fundamentals9-10章。第七章：常见激光器介绍。主要参考了Laser Fundamentals14-15章，Principles of Lasers第6、9章。 此外，在编写课件时，我还或多或少地参考或引用了一下一些书籍中的相关内容：Optic and Lasers (Young Matt)，Introduction to Optic and Photonics (F. Graham Smith, Terry A. King)，Optical Testing and Interferometry (J. Maxwell)，Fundamentals of Optoelectronics (Clifford R. Pollock)，Fundamentals of Photonics ( Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich)，Optoelectronics (Endel Uiga) 与国内教材相比较，我们在一本讲义里覆盖了激光原理、激光技术、激光器件的主要内容。和本科生课程相同的是：起点都比较低，只需要有光学基础知识、电动力学知识和量子力学知识作为基础就可以了。与本科课程不同的是：增加了光与物质相互作用的经典理论，内容更加深入。与国外教材相比，相同的是起点低、跨度内容多；不同的是根据实际情况对部分内容做了精简和改造以更适合中国大学生的基础，比如我们没有象Laser Fundamentals那样，再详细介绍光的量子性，而是直接引入能级、辐射等概念。经过几年的实践，我们开设的激光课程取得了一定实效，作为一门研究生选修课，得到了越来越多的研究生的认同，上课人数逐年增多，甚至超过某些专业必修课，还吸引了一些本科生前来旁听。我们认为，大力引进国外教材，教师在读懂弄通的基础上，再根据学校和学生的实际情况予以利用，对于培养学生的专业知识，掌握专业外语是很有益处的。参考文献1O. Svelto, Principles of Lasers， New York : Plenum Press, 19982W.T.Silfvast , Laser Fundamentals， Cambridge University Press, 2004 3A.E. Siegma ,Lasers，University Science Books, 19864Young Matt, Optic and Lasers，Springer-Verlag Berlin Heidelberg ，20005 F. Graham Smith，Introduction to Optic and Photonics，Terry A. King, John Wiley& Sons, Ltd, 20006Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich， Fundamentals