激光原理论文篇（1）

【中图分类号】G632.010 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）29-00-01

一、教学现状

“激光原理与技术”是应用物理学本科专业的专业课，是一门理论性很强的专业基础课。通过本课程的学习可以为学生今后从事激光技术、光通信、信息处理、红外探测、环境检测、激光医疗诊断和材料加工等方面的相关光学工程研究打下基础。由于该课程物理概念抽象并且理论性强，基础知识面广，不易理解，感到难学，畏难情绪严重，学习这门课程时的兴趣就不如其它普通物理课程；此外，由于学生对激光应用方面的知识了解较少，往往因缺乏感性认识，不能充分体会到该课程的重要性，导致学生在学习中没有一个积极的态度；再次，“激光原理与技术”需要讲授激光的基本原理、基本技术以及激光的应用三部分内容，知识点多，逻辑关系也不像力学、电磁学等那么明显，再加上该课程总的学时数只有32学时，所以大部分学生在学习中会感觉到有些凌乱，理不清头绪，最终导致不能巩固和深化所有的知识点。基于以上问题，如何在教学中合理的处理教学内容以及采取合理的教学方法，做到重点突、详略得当，既要让学生掌握基本原理和基本技术，又要了解激光的具体应用是目前教学过程中急待解决的主要问题。

二、对教学内容适当删减

《激光原理与技术》是一门理论性很强的专业基础课，该课程涉及的基础知识面广，需要应用原子物理、量子力学、热力学统计物理、光学和高等数学等课程的结论和基础，公式繁多、推导复杂、理论抽象，具有较大的难度和深度。要在32学时内完成教学任务，就必须选择合适的教材并且合理的安排教学内容。在教学中我们选择的是上海理工大学陈家璧教授编写的《激光原理及应用》（电子工业出版社）作为教材。这本教材的特点在于内容章节安排合理，知识点覆盖面广，理论体系较为完整，避免过多的理论公式推导和计算，而把重点放在阐明物理概念以及激光输出特性与激光器的参数之问的关系，帮助学生了解和掌握最基本的激光原理和技术，学会如何根据不同应用范围选择合适的激光器。因此这本教材的内容很对工科类的学生的胃口，尤其是具有一定物理基础的应用物理系学生来说所讲授的内容比较容易掌握。我们根据教材的安排将教学内容主要分为三个大的部分：激光的基本原理包括激光的产生条件、激光器的工作原理和激光器的输出特性；激光技术部分包括激光的选模技术、稳频技术、激光束的光束变换，调Q、锁模技术以及激光的内调制、外调制等技术；激光的应用部分主要包括各种常见激光器介绍和激光在不同领域内的应用。关于激光的其他方面的知识将不再安排进课堂教学，主要供学生自学。

三、教学手段多样化

激光原理与技术内容繁多并且教材中包含大量图片，只靠“一支粉笔一张嘴”的教学手段很难在有限的课时内完成教学任务。因此在科技发展的今天，我们必须借助现代化的多媒体教学手段。在教学中通过PPT、Flash以及小电影等多中形式，使学生获得对激光更为直观、感性的认识，增强课程的趣味性和直观性。例如在激光的应用方面，我们通过小电影播放激光雕刻、汽车车身的激光焊接以及激光的医学应用等视频，可以很直接引起学生的兴趣和好奇心，充分调动学生的积极性。在此基础上，教师再具体介绍在不同应用背景下激光器的选择、各项技术参数等知识，这样可以在感性认识的基础之上更好的掌握激光器的主要知识点。

此外，在教学中将部分教学内容以专题的形式提供给学生，学生通过自己的探索和实践过程中掌握科学研究的方法，在研究中获得知识。例如可以在讲授谐振腔结构对激光输出特性的影响时，在学习了开放式光腔与高斯光束、激光振荡特性章节内容后，结合具体的激光器He―Ne气体激光器，让学生探索腔型结构对He―Ne气体激光器激光输出性能的影响和高斯光束聚焦特性的研究以及振腔设计和激光输出特性测试等工作。通过专题研究，有效地促进了在教学活动中培养学生具有能从物理学的角度对激光有深入的理解的能力，使学生对“激光原理”的学习有了感性认识，将被动的接受变为主动的获取，并启发他们做一些创新性科学研究，培养本科生敢于开辟激光应用新领域的开拓精神，解决学生对激光物理知识内容的深入理解与创新思维之间的联系。在此基础上，还可以选拔出优秀的学生，让他们参与到教师的科研项目和研究中，开展初步的科学研究和探索，以此提高优秀本科生的创新思维发展、理论学习和实践相结合的能力。

四、注重实验教学

激光原理实验是“激光原理与技术”教学的重要组成部分，让学生接触真正的激光器，并在实验中通过练习掌握调试、测试激光器的各种方法，可以帮助学生真正理解激光理论、认识和应用激光器，在教学过程中必须两者兼顾，不可偏废。可见激光原理实验对于帮助学生真正掌握这门课程无疑是有重要意义。因此在教学中必须开设能够涵盖理论课涉及到的主要原理、技术和应用方面的基础性实验，如激光器谐振腔设计、调整、横模观察、发散角测量、纵模间隔测量（He―Ne）和半导体激光器特性（GaAs）以及半导体激光器在通讯领域内的应用等实验。通过这些实验的教学，提高了学生的学习兴趣，进而增加了学生的学习积极性，培养了学生观察问题、思考问题、解决问题的能力，也促进了理论教学质量的提高。在实验条件允许的条件下，还可以开展一些设计性、研究性实验，如研究激光与原子、分子的相互作用、激光在化学反应动力学的应用等方面的实验。当然，这要根据学校自身条件和教师科研情况自行决定，总的目标是培养学生的创新思维和分析、解决问题的能力以及初步的科研能力。

五、结语

根据对《激光原理与技术》课程教学现状的分析，从教学内容、教学方法和实验教学三个方面探讨了“激光原理与技术”课程改革的一些想法和体会。在教学内容上要合理删减，突出重点，将最基本的原理和技术传授给学生；在教学方法上要结合多媒体教学，利用生动的动画、影视等使课程形象、生动，并且激发学生的学习兴趣和学习的主动性；实验教学是该课程的重要一环，既要加强基础实验教学也要开设一些设计研究型实验，培养学生的探索精神和创新能力。

参考文献

[1]陈家璧，彭润玲主编.激光原理及应用[M].北京：电子工业出版社，2008.

激光原理论文篇（2）

南京航空航天大学以育人为本，不断丰富和发展办学指导思想。树立并践行“三个为本，三个促进”的办学理念，即“以育人为本，促进人才辈出；以学术为本，促进学术繁荣；以航空为本，促进特色发展”。 把提高质量作为学校教育改革发展最核心最紧迫的任务，坚定不移地走有特色、高水平、内涵式发展道路，形成人才培养新优势，努力出名师、育英才、创一流，在加快建设高水平研究型大学的进程中取得新的更大的成就。

学校学生来自全国各地。长三角地区光电子行业非常发达，考虑到这些因素，对本课程，定位为光电信息科学与技术专业的专业课程，目标是使学生掌握激光器运转的基本物理原理，为后续专业课程的进一步学习奠定基础，为今后在光电子学及相关的电子信息科学等领域从事学术研究和教学工作奠定扎实的理论基础，服务江苏，兼顾长三角，播及全国。

1、教学方法与教学手段

《激光原理》是高等院校光电子技术和有关专业的一门极其重要的专业基础课程[1]。是学习相关课程“激光器件”、“激光技术”、“激光应用”的基础，也是学习光电子学、激光化学、激光生物学、激光光谱学、非线性光学等新的交叉学科的重要基础[2]。为此，除严格的课堂教学以外，我们还配合一些课程设计、专题课堂讨论及前沿学术动态讲座等多种形式。在介绍课程的学习意义时，采用启发式的教学方式[3]。从激光发展历史和相关技术入手，介绍了激光科学技术近50年的发展，其应用遍及科技、经济、军事和社会发展的许多领域。本课程制定了详细的教学内容，明确了教学目标。讲述激光器基本原理、开放式谐振腔理论，讲授激光振荡和放大理论。经过系统地学习，使学生掌握产生激光的基本原理和处理激光问题的基本理论和基本方法[2]。

2、课程的重点、难点及解决办法

本课程是一门理论性较强的课程。主要阐述激光器的基本原理和理论。本课程的重点，是要掌握激光器的基本原理、光谐振腔理论、激光振荡理论。光和物质的共振相互作用是激光振荡和放大的物理基础，这一部分的重点放在阐明光和物质的共振相互作用的基本物理过程和主要理论分析方法方面，课程的难点也在此处[4]。采取多样灵活的教学手段。课堂教学包括：课堂讲解、PowerPoint幻灯片课件、课堂小测验、课堂提问、笔记检查、课后作业、作业及课堂小测验讲评等。十分重视该专业学生英文水平的提高，并一直坚持在讲课中尽量向学生介绍英文的专业词汇。教会学生正确的学习方法。要学好本课程，学生们要建立一套适应于理论知识学习的科学的学习方法，更重要的是，掌握基本物理过程和主要理论分析方法，要求学生必须通过对知识的理解和消化来学习和掌握知识，培养知识的实际运用能力。针对教学内容中的重点和难点内容，采取重点授课，讲解细致、详尽，增加学生的实践机会等措施，使学生真正理解和掌握重点、难点内容。

3、教学资料与实践

我们采用的教材是高等学校电子信息类规划教材“《激光原理》” （第五版），由清华大学周炳琨院士担任主编。一方面，补充一些基本知识，例如学生没有学习过原子物理的有关知识，在介绍激光基本知识时，加入了有关能级的一些知识点，有利于学生对后面内容的了解和掌握[5]。另一方面，随着激光科学的发展，主讲教师在授课中不断及时补充内容，及时反映国内外激光科学的最新进展，使学生及时了解该学科的发展动向；吸纳兄弟院校本课程的教学经验，取各家之长，丰富我们的教学内容。与《激光原理》课程配套的激光专业实验教学日趋完善，目前已经开设了高斯光束参数测量及透镜变换实验、半导体激光器系列实验、连续激光相位调制实验、激光散斑干涉计量、激光全息干涉振动分析、脉冲调Q Nd：YAG倍频激光器实验、氦氖激光器模式分析实验[6]。随着激光原理和相关科学技术的发展，实验室老师正在筹建新的激光实验，并撰写了现代光学实验指导用书。新的实验设备已经编入211工程学科建设预算，正在采购中。专业实验室面积扩大到250平方米[7]。。我们还与南京东方激光、南京煜宸激光科技、南京激光仪器厂、江苏恒达激光图像、江苏联正利惠激光科技等企业有长期稳定的教研合作关系，经常派学生去实习，或请对方专家来学校交流指导学生。

4、总结。依据教研融合、开放共享和体现特色与水平的原则，以理论与实践结合为特色，阐述了激光原理教学体系建立和完善的经验。目前，已完成了激光原理的课程建设，包括课程教学内容项目建设、实验课程建设等。本课程紧密跟踪学科前沿，一贯坚持把前沿研究内容及时充实到课堂教学活动中，引导学生接触前沿学科知识，保持课程内容的先进性。教学科研互促共进。教学手段丰富灵活。

参考文献：

[1] 周炳琨，等. 激光原理[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

[2] 苏红. “激光原理”课程的专题研究型教学方案探讨[J]. 电气电子教学学报，2011， 31（3）： 34.

激光原理论文篇（3）

中图分类号：TM6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2012）12（c）-0-02

激光技术[1]与原子能技术、计算机技术和半导体技术并称为20世纪世界科学技术的四大发明。由于激光具有相干性好、方向性好、单色性好和亮度高等优点，而广泛应用于激光制导、激光加工、激光通信、激光精密测量和激光医学等重要领域。

1 存在的问题

激光技术是以激光原理为基础，《激光原理》[2]课程是高校光信息科学与技术、光电子技术、光学工程和光电信息工程等专业本科生的专业基础必修课，也是最能体现专业特色的一门课程。由于该课程理论性很强，学生普遍感到抽象难懂、枯燥乏味，导致该课程的到课率低下，教学效果差，学生成绩很不理想。更为严重的是，有部分学生因为这门主干课程的成绩不及格而对后续相关专业课程的学习失去信心，最终因为多门课程不及格而延迟毕业，有的甚至被退学。

因此，如何增加课堂教学的趣味性，提高课堂教学的质量和效果，是当前《激光原理》课程教学中一项十分紧迫而又有重要意义的研究课题。

2 增加课程教学趣味性的方法

2.1 采用多媒体教学手段

由于《激光原理》课程的理论性很强，教材中公式很多，如果采用传统的教学方式，老师将这些理论和公式一字不漏地在黑板上进行推导，不仅会让学生觉得枯燥乏味，而且教学效率也很低下，最终很难在规定的有限课时内顺利完成教学任务。

现代多媒体教学手段能够将课堂内容以图、文、声并茂，甚至活动影像的形式展示出来，这样不仅增加了课堂教学的知识容量，而且使整个教学过程生动形象，是增加课堂教学趣味性、提高课堂教学效果和质量的有效途径。另外，多媒体教学还可以将一些因为缺乏实验设备而无法实现的实验内容以动画的形式在课堂演示，有利于学生快速理解和掌握实验内容，从而加深对实验的印象和理解，最终提高课堂教学的趣味性和教学效果。

笔者在讲授《激光原理》中“红宝石固体激光器的工作原理”部分时，总是采用多媒体教学，将激光产生过程中激活离子的能级跃迁过程用动画的形式演示，这样不仅增加了对激光产生过程的感性认识，而且让学生深刻领会了激光产生的物理机理。另外，在讲授激光的军事应用时，以“激光驾束制导”为具体应用实例，采用flash软件制作了激光驾束制导导弹攻击目标全过程的动画，这样，不仅增加了课堂的趣味性，而且让学生深深体会到激光技术在现代战争中的重要性，从而增加了对此课程的学习兴趣。

2.2 巧用激光发展史

从1960年世界上第一台激光器诞生到现在已经历50多年了，如今，激光增益介质从最初的红宝石发展到数百种，激光器的功率从几毫瓦到数万瓦，激光器的寿命也从几分钟发展到几万小时以上，激光器工作方式从最初的只能脉冲工作发展到既能脉冲又能连续工作。这些成果的取得凝聚了无数科学家的心血，如果在教学过程中巧妙地穿插这些科学家研究生涯中的趣闻佚事，不仅能够增加课堂教学的趣味性，而且可以培养学生的科学素养和为科学献身的精神，是对学生进行养成教育的良好素材。

笔者在讲授第一章“绪论”时，首先介绍美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器所经历的漫长奋斗历程，以此为契机教育学生对待科学研究一定要有持之以恒的精神和不怕困难顽强毅力。然后，以我国科学家在世界上第一台激光器诞生后一年多时间内就研制成功了我国自己的红宝石激光器为例，告诉学生我们国家的激光技术与世界上最先进的技术之间的差距很小，以此唤起学生强烈的爱国意识和研究热情。每当我讲授这些内容时，我发现几乎所有的学生都在全神贯注的听讲。

2.3 注重学科交叉

由于《激光原理》课程的理论性很强，而且具有很强的多学科交叉性，要学好这门课程，不仅需要具备几何光学和物理光学基础，而且，还需要固体物理、半导体物理、电磁场和电磁波理论方面的知识。教学过程中如果仅仅局限于《激光原理》课程本身，其教学效果必然不容乐观。如果能够将相关学科的知识点与《激光原理》进行有机结合，用其它学科中分析、解决问题的方法来分析、解决《激光原理》中的问题，有时会有事半功倍的效果。

笔者在讲授《激光原理》中“激光的模式理论”时，总是引入机械波和电磁波的理论来解释激光模式的概念，让学生感觉到一种激光模式实际上类似机械波（或者电磁波理论）中所存在的一种机械波形（或者电磁波形），这样的讲解使得本来抽象的激光模式理论变得形象生动。

2.4 紧密联系国防军事应用

世界上第一台激光器的研发动机主要是因为第二次世界大战期间战争的需要，激光器诞生后首要的应用领域是激光武器。目前，许多发达国家都在研究高能激光武器以满足未来高科技战争的需要。美国曾将激光器用于国家导弹防御系统来拦截对方导弹，这种用激光进行导弹拦截不仅可以提高拦截的命中率，而且可以大幅度降低费用。另外，空间激光保密通信也是现代战争中十分有效的一种通信方式。这些重要的军事应用其实就是基于激光具有很好的方向性这一特点。笔者在讲授《激光原理》中“激光的四大特性之一―方向性好”这节内容时，经常将激光的方向性好与军事应用紧密联系起来，让学生感觉到课程内容的重要性，从而增加学习

兴趣。

2.5 紧密联系生产实践

“理论与实践相结合”是马克思主义的精髓，任何一种理论的最终目标都是要为生产实践服务。目前，激光技术已经广泛应用于生产实践的各个领域，如：激光加工、激光医学、激光育种、激光通信和激光光谱学等领域。《激光原理》课堂教学中如果能够紧密联系生产实践，必然会增加课堂教学的趣味性。

笔者在讲授《激光原理》课程中的“激光聚焦与准直”这节内容时，紧密联系激光聚焦在激光切割机的应用实例，并给学生介绍自己为桂林某激光技术公司设计的激光切割机光路系统，给出设计步骤和最终设计的系统光路图（见图1），让学生深刻体会到这一节理论的重要性。

2.6 紧密联系科技前沿

科学研究要“顶天立地”，所谓“顶天”就是说要站在国际国内科技前沿，不断创造高水平的科技成果；“立地”就是要从经济社会发展的实际需要出发，切实解决发展过程中所面临的实际科学和技术

问题。

《激光原理》课堂教学过程中必须有“顶天”意识，教师应该有很强的科研敏锐性，要紧跟当前激光领域的科技前沿，在教学过程中应该适当增加与授课内容相关的国际前沿科技问题，这样不仅可以丰富课堂内容，而且能够激发学生的学习兴趣，提高课堂教学的质量。如果还是照本宣科地按照几年前出版的教材内容进行讲述，必然缺乏新颖性和趣味性，最终会降低课堂教学的效果和质量。

笔者在讲授“典型激光器”这一章内容时将“飞秒光纤激光器”作为重点，并将其与当前光学和电磁波领域世界公认的一个科学前沿-“太赫兹波技术”紧密联系

起来。

因为太赫兹波具穿透性好、安全性好以及可以用作进行物质识别的指纹谱等特性，而成为当前世界各国投巨资进行研究的一个重要的前沿热点研究领域，而飞秒光纤激光器则是太赫兹时域光谱系统的一个核心器件。这样，学生感觉到飞秒光纤激光器的重要性之后，会带着浓厚的兴趣去主动学好这一节内容。

激光原理论文篇（4）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）15-0090-02

因为高次谐波极富潜力的应用前景，高次谐波的研究已成为强场物理中最活跃的领域之一。本文简要介绍了国内外对高次谐波的理论与实验研究进展及高次谐波的应用前景。

在强激光的作用下，原子、分子、团簇以及固体等介质发射频率整数倍于驱动激光频率的相干辐射波，这种辐射称为高次谐波。高次谐波在很多方面有着潜力极大的应用前景，理论与实验研究均取得了瞩目的成果。

一、高次谐波谱的产生及特征

1987年，Shore与Knight[1]预言，由阈上电离得到的电离电子在激光场的驱动下可能返回基态，产生高次谐波[2]。Mcpherson等人用亚皮秒（248.6nm）KrF激光脉冲与Ne气体相互作用获得了17次谐波。高次谐波辐射谱呈现速降区、平台区和截止频率特征（如图1），即随谐波次数的增加其强度先后出现快速降低区、几乎不变的平台区域；之后在平台区末端的某一阶次谐波附近谐波谱强度突然下降，出现截止（Cut-off）现象。

二、高次谐波的应用前景

随着物理学界对物质微观领域的控制和探测的尺度愈来愈小，迫切需要极紫外（10―100nm）与软X射线（1―30nm）光谱区相干辐射源，高次谐波辐射可以得到相干性、脉冲持续时间短的辐射源。用只有几个光学周期的超短超强激光脉冲与惰性气体互相作用获得“水窗”波段（2.33―4.37nm）谐波，可以实现在分子水平上观察活体生物，对活的生物细胞和亚细胞结构的三维全息成像或者显微成像，在生物制药方面意义非凡。高次谐波辐射具有的脉冲持续时间短、波长可调、频带窄等特点，非常适合在高时间与空间分辨的微观快过程研究领域中应用。自1960年发明激光以来，激光发展依次经历了调Q、锁模、啁啾脉冲放大三次技术革新，脉冲持续时间突破飞秒级，这对物理学、化学、生物学中的测量方法与未知领域的研究产生了巨大影响，为实现阿秒相干脉冲，人们把强场高次谐波辐射谱作为首选光源。一旦时间量级阿秒界限被突破，原子尺度内时间分辨将称为事实，将超快过程的测量范围拓宽到各种物质形态中电子的运动过程，将具有不可替代的重大应用价值。短脉冲强激光技术的迅猛发展开辟了许多全新的物理学领域。研究强场物理学的目的是发现并解释物质在极端物理条件（强外场或超强外场等）下所辐射的各种强场效应，比如强场自电离、库仑爆炸等，建立和发展新的微扰理论。高次谐波研究可以深入认识强场物理本质、检验强场物理理论的合理性，还可以为强场物理理论找到新的课题。

三、高次谐波研究的进展

1.实验研究。上世纪60年代主要依靠固体晶体作为介质来产生谐波，1961年Franken等人用激光射石英时首次看到了二次谐波的发射，但缺点转换效率十分低、波长较长（200nm左右），限制了非线性光学的应用。80年代末，Mcpherson等人用Ne气与KrF激光脉冲相互作用获得了17次谐波，为X射线源的研究带来了新希望。90年代强激光场高次谐波的实验研究十分活跃，激光器包括了从紫外区到红外区的所有激光，激光强度达到了10w/cm，激光的脉冲宽度达到飞秒级，实验使用的工作介质有惰性气体、类惰性气体离子、分子气体、团簇、固体靶等。以Sarukura、Faldon、Crane、Kondo、Balcou、Macklin为代表的研究者，以Ivanov和Corkum、Liang为代表的研究者，以Donelly、S.X.HU为代表的研究者，分别用原子、分子、原子团族与超短激光脉冲相互作用产生高次谐波。在拓展谱宽、获得更短波长谐波方面，Saclay实验组（1993年）用强度为10W/cm的激光作用Ne獾玫搅瞬ǔの7.8nm的135次谐波；S.G.Preston等人（1996年）使用KrF激光（248.6nm）与He气作用观察到6.7nm的第37次谐波；Vienna技术大学和Michigan大学（1998年）分别利用超短强激光脉冲与惰性气体介质相互作用产生了第297次谐波（2.73nm），达到“水窗”波段；J.Seres等人（2005年）利用毛细管结构获得波长约为1nm的谐波。在提高谐波转换效率方面，里弗莫尔国家实验室（LLNL）测得高次谐波平台区内的转换效率只有10数量级；Watababe等人用双色场激光场提高了平台区谐波强度约一个数量级；Seres等（2007）通过改变气体密度，提高了截止区域谐波的转化效率，观察到了2―5nm范围内的高次谐波发射，在水窗阶段高次谐波的准相位匹配得以实现。还有K.iyazaki等人系统研究了介质电离对高次谐波辐射的影响；J.Peatross等人研究了谐波的空间角分布；美国Michigan大学的实验小组改变了驱动激光脉冲的“啁啾”状态，达到了控制谐波某些特性的目的。

2.理论模型。由于入射激光场的场强接近或超过原子内部库仑场强，所以不能用微扰理论来解释强场高次谐波。Krause等人（1992年）通过数值求解含时薛定谔方程，获得了高次谐波谱的截止位置（cut-off）能量的半经验公式E=I+3.17U。研究者提出了如图2所示的“三步模型”：第一步隧穿电离，在强场的作用下电子从核区隧穿势垒到达连续态；第二步加速，电子加速运动并从激光场中获取能量；第三步复合，改变激光场方向，加速电子再回到原子核附近与母核复合，把在外场中获得的能量以单光子形式辐射。“三步”模型理论清晰地解释了原子与强场作用产生高次谐波的物理图像，预言了谐波发射谱的截止频率，不足的地方是它把电离电子视为经典粒子，忽略了库仑势的影响，忽视了量子效应的作用。

1994年，在几个假设的基础上M.Lewenstein等人建立了强场近似模型，提出了全量子解析理论。其假设为：①除基态以外忽略其他束缚态对高次谐波的贡献；②忽略基态的损耗；③当电子处在连续态时，忽略原子势阱对电子的影响，解析地给出了与时间相关的电偶极矩。该模型所适用的物理条件为ω

3.研究高次C波当前遇到的主要困难。高次谐波研究的主要困难：①找到获得更高阶次、更短波长的谐波辐射的途径；②提高谐波的转换效率。谐波发射效率与原子自身的属性有关，主要是基态和连续态的耦合强度；另外，谐波发射效率与受激复合时刻基态的电子布居有关，如果布居不足，电离电子恢复到基态难以实现，如果激光的场幅增加到某一阈值，基态就将被完全电离，谐波发射就会停止。还有，谐波发射效率与复合时刻核区附近的电离电子的丰度有关，特别是较高次数的谐波，在复合的时候如果基态布居充足，则核区的高能连续态电子布居就会越多，其发射效率也就越高。可是，电子电离时激光场的瞬时场强、激光驱动下电离电子的核外运动形式、电子从电离到复合需要的时间决定复合时核区的高能电子的丰度。然而，在实际应用中原子确定下来以后，人们无法控制原子本身的性质，也就是说对于连续态与基态的耦合我们几乎没有什么办法去调控。

四、结语

随着技术条件的进一步改善以及实验水平的不断提升，高次谐波的研究进步喜人，研究者仍然孜孜以求，期待获得更短波长、更高效率的谐波，高次谐波走向实用并服务于人类必将成为可能。

参考文献：

激光原理论文篇（5）

【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)02―0070―04

引言

军队院校培养的人才必须适应部队需求,专业具有较强的针对性和军事特色,近年,部分军事院校针对自己的专业特点进行了教学改革和探索[12]。我院激光测距与激光制导课程是典型的装备教学,激光原理与激光技术(以下简称激光课程)等专业基础课的教学质量直接影响激光仪器的装备教学,最终将影响军校培养军事技术人才的质量,所以激光课程等专业基础课的教学质量和教学改革备受关注。激光课程是我院光学工程教研室(以下简称我室)军用光电工程本科专业的重要专业基础课,是激光测距仪器、激光制导仪器等专业课的理论基础,贯穿本科乃至研究生学员培养的全过程,在我室教学工作中占有很大比重。由于激光课程内容多,概念抽象,加上传统的“灌输式”教学的弊端,学员积极性不高,教学质量长期得不到提高。近两年,我室借鉴地方院校的成功经验[3-5],结合军校的专业特点,在该课程上积极寻找突破。2006年,我室光学工程学科获全军2110工程资助,2007年,我院参加全军教学工作评价,面对机遇和使命,我室在“重基础,抓实验,贴装备”教学思想的指导下,多渠道、全方位对激光课程进行教学改革,经过近三年多的努力,改革取得一定成效,并且圆满完成教学工作评价的各项指标。本文介绍教员队伍建设、课堂教学、实验教学以及课外实习教学等7个方面的改革工作内容。

一 改革内容

1关于教员队伍建设

(1) 教员层次结构的完善。积极引进外校一流大学的硕士及博士生来充实教员队伍。2006年和2007年接收了国防科技大学硕士生1名、博士生2名,2008年接收了北京理工大学的军工专业的优秀博士生1名,极大地活跃了教学组气氛。积极选派有能力的教员进修和学习,2007年,选派了2名教员到上海交通大学进修,2008年以“强军计划”的方式选送一名青年教员到清华大学攻读博士学位。

(2) 选用优秀年轻教员担任主讲教员。年轻教员与老教授相比,虽然经验和学识少一些,但年轻教员有自己的优势:年轻教员上课有活力、有激情、有干劲;科班出身的年轻教员基础扎实,工作在科研一线,既有较强的理论基础,又了解前沿,熟悉科研的具体细节工作,授课中能做到一丝不苟,解决工程实际问题;年轻教员与学员年纪相差无几,有共同语言,有感染力,有助于学员学习积极性的提高。

2 关于教材与课程内容

(1) 选用英语参考教材,逐步开展双语教学。随着时代的发展,双语教学在院校中逐步兴起,这是发展趋势。由于开设双语教学并无经验,我们实施了“谨慎”的双语教学,即用中文教材,另外选用英语参考教材,课堂授课部分内容使用英文。随着不断地学习和经验的积累,今后将逐步扩大英语讲述内容的比例,提高双语授课水平。我们注重思维和创造能力的培养,所以在双语教学中重要概念和物理思想用英语讲述,背景知识和数学推导用汉语讲述,值得一提的是,在双语教学中,年轻教员的英语特长得到了发挥。

(2) 课程内容整合。我室本科激光课程包括激光原理、激光技术和激光器件三部分,激光原理讲述激光特性、激光器组成、光和物质相互作用、谐振腔内光场分布和高斯光束传输特性等基本概念和基本原理,激光技术讲述改善激光光束质量(压缩脉宽、提高峰值功率、单模输出、稳定频率等)所作的技术调整(调Q、锁模、选模、稳频等),激光器件贴近工程,讲述不同种类激光器(气体、固体、半导体激光器等)的器件组成及其特性。这三部分是统一的整体,我们对激光课程进行了整合,把三部分合成一门课,激光原理是重点,激光技术次之,器件部分穿插在前两部分中,内容整合突出了重点,加强了基础教学,体现了“重基础”的教学思想。

3 关于课堂教学

(1) 以非课程因素带动课堂教学。所谓非课程因素是与激光教学内容无关的,但有利于提高教学质量的因素,包括师生感情、教员个人魅力的塑造、“以人为本”的素质教育思想等。这些不是教学过程的重点,但影响重点,不能忽视,应该充分利用这些因素带动课堂教学。在这方面,年轻教员有明显优势,因为年轻教员更了解学员所想。笔者作为一线教员,真切感受到:当非课程因素发挥作用时,学员喜欢任课教员,喜欢上激光课,学习积极性大大提高。

(2) 营造和谐的课堂环境。我们在课堂教学中努力做到以学员为中心,增进沟通,加强交流,增强互动,充分调动学员的积极性,打破以往沉闷、死板的课堂气氛,营造轻松和谐的课堂环境。我们努力把抽象的物理概念与生活中的事相联系,与学员感兴趣的事相联系,让知识在“笑谈”之间进入学员的头脑。例如讲介质对光增益一节中把“增益饱和”比作“科学发展观”,解决了光强不断增强和稳定输出的矛盾。通过这样的比喻,能紧紧抓住学员的注意力,同时也把课讲活了。

(3) 树立良好心态,利用“两大法宝”热情高涨地投入教学。“态度决定一切”,作为年轻教员,要有良好的心态,即不浮躁,对教学漠不关心,又不好高骛远,对教学急于求成。只有脚踏实地地深入教学,才能在教学中发现乐趣,提高教学水平,增强成就感,进而把成绩作为进一步提高教学的动力,形成良性循环,在讲台上实现自我价值。在教学实践中,笔者认为:上好课的两大法宝是:自信和学习。只有自信地站在讲台上,授课才有感染力和说服力,才能做到落落大方,举一反三,侃侃而谈,授课才能游刃有余,才能充分调动学员的积极性,提高课堂的互动层次。当然自信是建立在对课程内容非常熟悉,对整个课程有一定把握,对学科有一定学术水平的基础上,年轻教员多数具有硕士以上学历,具备这样的基本素质。学习是上好课的另一法宝,这里的学习是向有经验的老教员学习,多听老教授的课,多向老教授请教,多听老教授意见,耳濡目染、仿效改进,这些必定会对自己有潜移默化的影响,这样的强化学习能够在短期内大幅度提高授课质量,逐渐形成自己的教学风格。

4 关于军校教学保障制度

军校比较地方院校,多一份严肃,强调整齐划一,强调纪律性。我室制定了教学保障制度,为提高课堂教学质量提供强有力保障。第一,岗前试讲制度。本着教员、学员双负责的原则,坚持年轻教员岗前试讲制度,一方面让其他有经验的教员进行指导,一方面严把上岗关,确保了授课质量;第二,听查课制度。教研室主任和激光组组长听查课率不低于10%,从军容风纪、内容、课件、课堂气氛以及学员意见等各方面严格把关,及时发现和改进教学实施中存在的问题;第三,教学观摩制度。激光组一线教员每学期至少组织两次教学观摩活动;第四,导师制度。为一线年轻教员指定经验丰富的老教授作为教学导师,导师定期指导,严把军纪关、教案关、课件关、板书关、语言关等。这些制度规范了教学,提高了教员的授课水平,保证了课堂教学质量。

5 关于实验教学

(1) 实验课程设置改革。打破以往先激光理论课、后激光实验课的传统课程设置,采取理论课与实验课同时开,交叉上的课程设置,即把理论课和实验课开在同一学期,学完一部分理论,做与之相关的激光实验。真正做到理论与实践相结合,这对加强学员对理论的理解是很有帮助的。学员反馈信息,都有共同的感觉:课堂上没听懂的东西,在做实验时豁然开朗,有一种柳暗花明的感觉。这种课程设置也增强了学员的自信心和成就感。

(2) 实验室硬件建设。在2110工程经费的支持下,激光组抓住机遇,经过多方调研和论证,购置大量先进实验仪器,建成激光原理实验和激光技术实验两个教学实验室,并瞄准前沿,组建了激光与物质相互作用实验室,作为研究生教学和科研实验室。利用先进的实验仪器,课程组努力发掘与课本理论联系密切但又高于课本、贴近前沿的实验题目。

(3) 发掘军研口的实验带动教学。以实验室硬件为平台,以教员军队科研项目为牵引,积极发掘以军研口为背景的基础实验或原理实验,例如高功率激光器成为定向能技术的研究热点,实验室搭建了固体热容激光器(Solid State Heat Capacity Laser,SSHCL)、LD泵浦板条激光(DPSL)、光纤激光器相干组束(Fiber Laser coherent beam combination)等原理性实验平台,这些都是国内外光电子领域研究的热点,让学员通过实验了解前沿,以此带动学习的积极性,激发学员的科研潜力。例如当今激光领域研究的热门之一:光纤激光器相干耦合技术。利用耦合器把两个光纤激光器耦合,输出功率约是这两个光纤激光器功率和的2倍,让学员产生疑问,主动思考,查阅文献。虽然这些原理实验不能包含太多的学术价值,但对学员来说是在教材和一般实验中未见到的,对于培养学员的创新精神是有益的。另外,我们还设置了起点较高的自助设计实验,利用长春理工大学研制的自组装电光调Q固体脉冲激光实验平台,学员可自主设计感兴趣的实验,这些对科研能力和创新能力的培养是非常有益的。

(4) 以科研和学术带动教学。让有能力的好苗子尽早地参与科研实验和学术论文的创作,不但有助于课本教材的深化学习,还有助于培养学员的科研和学术能力。笔者从2007年开始尝试带学员,指导学员查阅文献,消化前人工作,在现有实验条件下进行创新性实验。笔者发现,部分学员兴趣已经形成,潜力已经发掘出来,他们在教员的指导下很快掌握了学术论文的写作技巧,参与撰写的诸文已经在学术期刊上发表[6-9],反过来,这些极大地鼓励了学员,形成良性教育过程。

(5) 实验管理制度改革。以往实验仪器少,学员多,只能多人一组,轮流做,教学效率和质量大打折扣,现在基本做到2人一组,学员动手率100%。为了充分利用实验室,调动学员积极性和体现“以人为本”教育思想,实行开放式实验管理。我们研发了实验网上预约系统,对课上没有做完或者感兴趣的实验进行预约,负责实验室的教员及时安排,并进行指导,预约系统和开放式实验管理方便了学员,受到学员的普遍欢迎。另外,为了加强纪律,增强学员爱护实验仪器的意识,实验室建立了实验签名制度,对学员起到一定监督约束作用。

6 关于课外教学活动

(1) 激光装备故障检查。激光理论课和实验课是激光测距与激光制导等专业课的基础,我们重基础,抓实验,同时也紧紧围绕装备开展教学,教研室配备了我军装备的大部分型号的单体激光测距机(与大型武器平台上的激光测距系统相区别),可为学员学习训练使用。为了提高学员的动手能力,我们对装备设置一些故障点,让学员查明原因并进行修理,这些活动极大的调动了学员的积极性。

(2) 军工厂参观学习。为了加深学员对所学知识的认识,我们制定了学员参观实习制,确保每名军用光电工程专业的学员都有到军工厂参观实习的机会。由于我院与军工厂科研业务联系密切,我室与诸多军工光学仪器厂签订参观实习协议,这为课外教学活动的开展提供了有力保证。2006年、2007年和2008年,笔者组织学员分别到焦作平原光电仪器厂、江苏曙光光电仪器有限公司、南阳中光学集团进行短期(一般在20天内)的参观实习,在工厂允许情况下,学员进行了部分生产环节的操作,对激光器零部件的设计、加工、检测、组装、调试以及军检等方面有了深刻的认识,这些活动在一定程度上增强了学员的工程意识,对学员今后从事军械保障工作不无裨益。

7 关于考核评定体系

(1) 实行多种考核与课终考试相结合的方式。鼓励学员参与教学、参加科技竞赛等活动,对制作多媒体课件、写实习感受、参与科研等活动的积极分子进行加分。多种考核方式使被动的“灌输式”学习变成主动的“发掘式”学习,有助于培养学员的创新能力,是素质教育思想的重要体现。笔者于2007年和2008年分别组织了以“神奇的激光”和“激光在军事上的应用”为主题的征文活动,并印制优秀论文集,在学员间传阅,还对录选论文集的学员进行加分。学员对活动反响强烈,这些措施不但激发了学员查阅资料和学习的积极性,也培养了学员的自学能力。

(2) 制定严格的考试出题和阅卷制度。为了体现公平、公正的原则,激光课程考试实行教考分离制,即任课教员不参加出题和阅卷。2006年,激光教学组建设了激光原理与激光技术试题库,并录入学院考试组卷系统,考试前2天由非任课教员到考试中心组卷出题,考试结束后由非任课教员阅卷,3天内上交成绩。这些制度的实施改善了学习风气,学员出勤率提高了,上课瞌睡现象减少了,作业完成质量显著提高了。

(3) 成绩与分配去向挂钩。为了提高学员素质,增加学员的紧迫感,形成比学习、比成绩的良好学风,教研室与学员队(军校管理学员的大队)充分沟通,把专业课成绩与分配去向挂钩,一定程度上改善了以往军队院校学员坐、等、靠的懒惰思想,改善学习风气。

二 改革成效

激光课程教学改革近三年来,无论是教员还是学员都感到身上担子不轻、责任重大,功夫不负有心人,改革取得明显成效,主要体现在:1、教员方面:教员教学能力提高,授课质量提高,2008年笔者以激光原理中“激光产生的基本原理”为授课内容参加了学院组织的优质授课评比获得第6名的好成绩,并在总装备部举办的院校优质授课评比中获得三等奖。2、学员方面:学员积极性明显提高,学习成绩明显高于往届,学员考研率明显增加,说明学员产生了对科学研究的兴趣,主动积极要求深造。在我们对2006和2007届学员做的问卷调查中,80%以上的学员对激光教学改革工作给予了充分的肯定。2008届毕业学员闫宗群、黄富瑜利用实验室平台搭建的全光纤激光相干合成系统[10-11]进行实验研究获得学校电子设计大赛一等奖,两人在全国的数学建模竞赛中获得二等奖,在他们的获奖感言中说道:建模二等奖的获得得益于在激光多普勒测速实验中数据采集的编程训练。

另外,我们完善了教学过程中的各种规章制度和教学评价体系;组建了现代化实验室,完善了实验室规章和资料体系;建立了网上预约实验系统;制作了一套符合我院专业特点的激光多媒体课件和教案;针对激光课程的教学研究也取得一定成绩[12,13]。在2007年的全军教学工作评价中,激光课程达到评价要求的各项指标,且在专家的抽查课中受到专家的好评。

总而言之,我们注重基础理论教学,狠抓实验教学,仅仅围绕装备开展课外实习教学,教学改革取得阶段性成绩。当然,改革需要循序渐进,改革中也出现了新的问题。

三 问题和努力的方向

1 年轻教员经验不足,要达到一定的教学艺术水平,还有待进一步学习提高。

2 双语教学对教员和学员都有一定难度,对于英语所占的比例还应具体情况具体分析,双语教学需要长期教学经验的积累,才不至于成为教学过程中的负担,真正促进教学改革。

3 急需一本适合我院特色的激光课程教材,突出“重基础,抓实验,贴装备”的教学特色,现在,我们激光教学组正在着手调研,组织编写。

4 创办激光网络课程,方便学员自学。

参考文献

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[13] 沈洪斌,张雏,沈学举等.军队院校专业基础课教学改革的探索[J].高等教育与学术研究,2008,(6):59-62.

Teaching Reform Exploration in Laser Course Aiming at Professional Features of Military College

SHEN Hong-binLI GangHU Wen-gang WANG Yuan-bo

激光原理论文篇（6）

[中图分类号]R730.57 R332 [文献标识码]A [文章编号]1008-6455（2012）08-1315-04

铒玻璃点阵激光亦称铒光纤激光，是非剥脱点阵激光的一种，波长为1 550nm和1 540nm两种，目前在治疗光老化、嫩肤和黄褐斑方面初步显示出比非剥脱（非点阵）脉冲激光、强脉冲光和调Q-Nd：YAG激光更好的患者满意度。然而，铒玻璃点阵激光目前尚未在国内临床广泛应用，治疗参数选择和临床疗效评价仍停留在经验水平，目前的研究主要为国外文献资料，国内临床研究尚处于初步阶段。为缩短研究周期，本实验应用1550nm铒玻璃点阵激光不同能量密度和微孔密度组合照射昆明小鼠背部皮肤，观察照射前、后小鼠皮肤I型、III 型胶原纤维和弹力纤维的变化情况，以比较不同能量密度和不同微孔密度组合与临床疗效之间的关系，为临床合理选择治疗参数提供理论参考。

1 材料和方法

1.1 实验动物及分组方法：清洁级雌性昆明小鼠2～3月龄24只，由西安交通大学医学院实验中心提供。随机分成4组，每组6只：A组为未照射对照组，B组为高能量密度/低微孔密度组，C组为中能量密度/高微孔密度组，D组为高能量密度/高微孔密度组，见图1。

1.2 主要设备和试剂：1550nm铒玻璃点阵激光治疗仪（Sellas医疗版，韩国生产）。苦味酸购自广东台山化工厂；天狼星红购自Sigma公司；间苯二酚购自 天津市科密欧化学试剂公司；1%酸性平红购自北京化工厂。

1.3 照射方法：A组：激光不照射，其余B、C、D三组每周照射1次，共8次。照射后皮肤微红，约15～20min后红斑消失，未见肿胀、渗出等（如图2）。

1.4 取材及实验方法：照射8次后分别于1周、2周、4周、8周、12周在背部皮肤取材，应用HE染色检测真皮厚度和成纤维细胞计数；应用苦味酸-天狼星红染色检测I型和III型胶原纤维容积分数；应用间苯二酚品红法检测弹力纤维容积分数。

1.5 统计学处理：数据采用不等距重复测量方差分析的分析方法对数据进行分析，分析软件为SPSS17.0，对数据的统计描述采用，检验水准α=0.05。

2 结果与分析

3 讨论

点阵激光的作用机理为局灶式光热作用[1]，由选择性光热作用原理扩展而来。点阵激光按剥脱深度分为强剥脱（CO2激光）、中剥脱（Er：YSGG激光）、微剥脱（Er：YAG激光）和非剥脱（Er：Glass激光）4种[2]。点阵激光以有序或无序扫描方式，在病变组织上形成众多直径约100～150μm、深约400～1 000μm的柱状微孔（微热损伤区），微热损伤区可诱导真皮组织损伤修复机制使胶原蛋白增生并重塑胶原纤维，以达到紧肤、嫩肤的治疗目的[1，3-6]。

通常非点阵脉冲激光的临床疗效与能量密度、光斑直径2个参数或能量密度、光斑直径及脉宽3个参数合理组合有关，组合方案主要根据医生的临床经验而定。而点阵激光的临床疗效除与以上三个参数有关外还与微孔密度有关，但目前临床上应用的点阵脉冲激光器其脉宽通常不可调，因此，点阵激光的临床疗效主要与激光能量密度高低和微孔密度（覆盖率）组合密切相关。国外研究显示，点阵激光治疗的微孔覆盖率可以通过能量高低和微孔密度的综合效应分析得出，Rahman等[7]推荐微孔低覆盖率（5%～10%）及低能量密度（6mJ/cm2）用于非颜面部焕肤治疗，而用微孔高覆盖率（19%～27%）及高能量密度（8mJ～25mJ/cm2）治疗中重度皱纹。Hu等[8]在应用1 550nm铒玻璃点阵激光治疗萎缩性痤疮瘢痕时发现，高能量密度/低微孔密度组与低能量密度/高微孔密度组疗效没有明显差别，而Walgrave 等[9]采用1 540nm/1 550nm铒玻璃激光同时治疗6位光老化病人，发现低能量密度/高微孔密度治疗时损伤区较浅，对色素性疾病疗效较好，而高能量密度/低微孔密度治疗时损伤区较深，但对皮肤质地改善较明显。Kono等[10]用1 550nm铒玻璃点阵激光嫩肤时发现，与增加能量密度相比，增加微孔密度可能出现更大的副作用，病人的疼痛和停工期也增加，虽然临床效果和病人满意度增加，但增加微孔密度有可能增加渗出、红斑和色沉等副作用。因此，认为用高能量密度/低微孔密度疗效较好。国内文献检索尚未见类似报告。

本实验采用1 550nm非剥脱铒玻璃点阵激光无序扫描照射脱毛小鼠背部分皮肤，按照射能量密度和微孔密度高、中、低组合，理论上有9个组合方案，如果按每个组合方案治疗20例患者×5次（月）推算，临床研究可能约需3年时间。为缩短研究周期和为临床应用提供理论参考，本组实验在9个组合方案中选择了3个具有一定代表性的组合方案（高能量密度/高微孔密度、高能量密度/低微孔密度和中能量密度/高微孔密度）进行筛选优化。结果显示在照射8次后各照射组小鼠真皮厚度、成纤维细胞计数、胶原纤维和弹力纤维均增加，增加幅度以高能量密度/高微孔密度组>高能量密度/低微孔密度组>中能量密度/高微孔密度组，并且各照射组间与未照射对照组间均有统计学意义（P

除弹力纤维外，本实验未发现各照射组真皮厚度、成纤维细胞计数和胶原纤维随时间变化趋势，分析其原因，我们初步认为可能与真皮炎性水肿吸收、成纤维细胞和胶原纤维代谢较快，而弹力纤维代谢较慢和初次取材时间较晚等因素有关。

本实验结论提示：①1 550nm铒玻璃点阵激光治疗光老化及嫩肤疗效肯定、可靠，如果停止治疗后其疗效有可能维持数月仍不会反弹至术前水平；②治疗参数的选择建议在采用较高能量密度基础上适当提高微孔密度更有利于提高临床疗效；③虽然昆明小鼠皮肤较薄，与人类皮肤组织存在一定差异，但本结论对铒玻璃点阵激光治疗皮肤光老化和嫩肤的参数选择仍具有一定参考价值。

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激光原理论文篇（7）

The thinking of using laser radar equation principle in city construction theory in surveying mapping and remote sensing

Zhang Miao

( State Key Laboratory of Information and Engineering in Surveying，mapping and remote sensing ( Wuhan University ), 430079)

Abstract: This paper focuses on some theoretical basis for some summary description and generalization of laser radar in atmospheric correction and imaging . The stratospheric aerosol detection, middle atmosphere density profiles and temperature profile measurement, Raman scattering laser radar meteorological parameter measurement, differential absorption radar principle, sodium fluorescence radar detection are discussed in some theory summary to play a guiding role in the theory of the city construction and the application of geographic information. Radiation correction for remote sensing mapping and geographic information imaging areas of research and practice are be done some analysis, for more widely application in the city construction.

Keywords: laser imaging ； atmospheric correction； laser radar；city construction翻译结果重试

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近几年来，激光雷达作为一种新的技术越来越多的应用在了测绘遥感科学领域，同时间接地对成像技术和大气校正起到了很大的作用，这就为城市建设理论的基础有了更深入的分析和理解。由于激光具有的单色性、方向性、相干性，具有很高的单光子辐射能量，在大气传输中很少发生绕射，所以在激光测距方面得到了极大的应用，而激光测距又是激光成像的基础。又由于激光波长短、相应能量子的能量大，可与目标发生生化作用，不像一般的雷达微波，波长较长，相应的能量子的能量小，不足以与目标发生生化作用，无法探测目标的生化特性，所以，这又为激光雷达在探测大气方面开辟了新的道路，而大气探测在遥感大气校正中也是很重要的环节。

激光雷达在成像和大气探测方面的原理，最根本的是激光雷达方程。而在许多书籍和文献期刊中，对激光雷达方程的描述和具体变量的解释中，没有统一的标准和规范的说明。常常让人们似懂非懂，而许多书本中也只是把激光雷达方程割裂开来，具体情况下具体对待分析，没有一种一般性的总结。所以，基于这些原因，笔者将对激光雷达方程在成像和大气探测中的各个具体公式进行总括和一般性概述。

一、激光成像中的激光雷达方程

《激光成像》的第93页公式（6-2-11）是最本质的：

这里，激光雷达主要只是起到测距的作用，测得机载发射位置G（Xg ，Yg ，Zg ）到地面点P（Xp ，Yp ，Zp ）的距离S；而 、 、这三个姿态角由姿态测量装置提供， 角数值按测点序号与瞬时视场的乘积计算出来。G（Xg ，Yg ，Zg ）由GPS给出。至此，公式得以求解。而此公式的来源不难，用高中立体几何的知识可推知。所以，最基本问题得以解决。

测出地面目标点的三维坐标P（Xp ，Yp ，Zp ）是激光成像中最主要的内容。之后，可由此生成DEM，或与多光谱影像数据相结合，得到影像上地物可见的图像信息，并运用数字图像处理技术，根据具体想要达到的效果与目的，生成想要研究并利于研究的数据（如城市建筑物提取、三维虚拟现实等）。

还存在如下问题：

激光器的构造。多光谱扫描仪的构造，及GPS与姿态测量装置的构造原理。

以上这些最主要的装置如何组合，使数据能恰当辨别。

误差的控制。

激光测距点的数据与多光谱数据的结合与应用。

这些问题超出本文的范畴，但以上问题的理解和解决是很重要的，是我们科研工作者日后要不懈努力认识和达到的。当对激光雷达的各个方面的本质理解得到加深，就会更利于其应用。

激光雷达方程在大气探测中的应用

关于大气激光雷达探测，我最初的感觉认为最本质的是要得到时刻t，距离地面高R的大气中，物质的种类、密度、温度。但事实上问题没有那么理想化，是比较复杂的。主要是针对不同大气层的散射原理，用不同性质的激光雷达，测得很局限的指标量。如，对于均匀分布的气溶胶，只是用公式求得它的后向散射系数和消光系数 ；平流层气溶胶探测只得到其散射比；从中层大气的密度N(R)和温度T(Ri)和温度的相对扰动廓线看出重力波的变化；大气中的湿度M(R)和温度T；被探测组分的平均密度 ；钠层原子密度(绝对值)NNa（R）等等。

以上所列举的是大气激光雷达能定量求得的指标量。下面一一说明：

气溶胶散射很强且均匀分布的情况下的消光系数：

需要知道高度修正后的对数回波功率S（R），已知；所以，S(R) 的斜率只要知道即可。

平流层气溶胶探测时，定量信息为气溶胶散射与分子散射之比，并与激光雷达方程结合，有：

因为雷达回波是光子信号，可由光电探测器接收，就可利用软件得知回波的强度，式中Tm（R）为大气分子透射系数，为大气分子散射系数， K为雷达常数，我们知道Tm（R）和可从标准大气参数或从实际的大气探空数据得到，而K为雷达常数，用归一化常数K的值可在激光雷达回波曲线气溶胶散射最小高度R。处，令散射比值 Ks（R。）为1求得。如果P(R)，，Tm（R）都可以得到，则Ks（R）可以得到。这个Ks（R）说明了大气分子Rayleigh散射与气溶胶Mie散射的多与少，关键还是探测仪器怎么区分这两种散射。

也就是说，由、的问题，转化为了、Tm（R）与P(R)的问题。这里，有必要对激光雷达方程P（R）进行分析：

中我们知道，通用的激光雷达方程：

式中，C为激光雷达的校正常数，P。为发射激光束的功率，即激光发射器的重复频率乘以每脉冲的能量，而这两个量是人工控制得到的。A为接收望远镜的收光面积，这个在设计接收望远镜时可以知道。 为大气中某种被探测组分的后向散射系数，前面知道，大气的后向散射系数可以查表得到，是某种气溶胶的散射系数， 为大气总的消光系数， 为大气分子的消光系数，可以查表得到。又 为高度分辨率，，为脉冲宽度。而校正常数，为光电探测器的效率，可以试验得到；q为接收光学系统的透射率，可以试验得到；g为重叠因子，为发射激光属于接收望远镜的重合程度，可以实验测得。又，为被探测大气组分的密度。 为后向散射截面。也就是说，最终，与的数据很关键，如果这个问题抓住和解决了，基本上最本质的问题就抓住了，后面的问题也就顺风顺水了。

中层大气的密度廓线和温度廓线的探测：

我们知道，N（R）是由前面的激光雷达方程转化的，现实中，P（R）可由激光雷达直接探测，因为，激光探测接收的是光子，所以光电探测器转化为电子后，可以测得实际数据。这里告诉我们，激光雷达方程并不是仅仅是由前面种种变量而求得P（R），而可以是由P（R）而推求出和，已得到更广泛的应用。所以，继续往下看：

我们又知道，

，

式中，K表示所有与激光雷达参量有关的常数，定量表示为,又因为C很难测定，且。是大气分子的Rayleigh散射截面。我们知道在小粒子吸收和散射中，，其中，粒子的尺度，可近似看做半径的小球， 为相对介电常数的虚数部分， 为相对介电常数，T（R）为激光在高度0~R间单次传输的透射率，而在计算时，给出了归一化高度，并得到：

，

其中，为参考高度处的大气密度，由标准大气模式计算或实际测量的办法确定，那么，求N（R）就与激光雷达的技术参数无关了。也就是N（R）的比值与的比值一致（相等）。

再讨论温度廓线的测定，我们知道，公式：

，

由理想气体定律和静力学方程得来。

好了，再看T（Ri）这个公式，K为波尔兹曼常数；m为大气的平均质量，g（R）为重力加速度，而和为第i层顶部和底部的大气压力，又有公式：

首先，这两个公式是由静力学方程和激光雷达测量的大气密度值得来的，主要是和的测定问题，而由激光雷达测得，由标准大气模式得到。这样，基本上问题得到了解决。

（4）Raman散射激光雷达的气象参数探测

在此部分，主要对湿度和温度廓线的探测。

先看对湿度廓线，主要是的Raman散射。给出定量指标大气中水气混合比M（R）。，这个没什么疑问。然后，又给出，

这个式子是由和的Raman散射激光雷达得到的，分别为：

这里，激光雷达方程也按简化的形式。被代换了。式 中，，而、不说了，、已知，、为密度，、为散射截面，、为激光雷达常数，前面已知，C校正常数不易确定，故整体K不易知道，需在探测过程中由气球探空数据定标得到。和由模型或激光雷达探测给出的气溶胶随高度分布计算，以上，这个M（R）基本解决了。

现在再看温度廓线，我们知道，T对应K，只知道强度比确定，又T有一个确定值。

按之前的方法，若知道N（R），也可求温度，又知：，按之前的公式，可以计算。至此，问题得以解决。

（5）差分吸收激光雷达原理

首先，给出专门针对差分吸收的激光雷达方程，为以后的推导带来了方便，公式如下：

我们联想到，之前的中层大气探测时激光雷达方程也有相应的改变，可见，对于具体情况，激光雷达方程是要随时变化的，但是怎样变化是个关键，以后的计算取决于变化的形式，使计算顺畅，所以，每一个具体应用下的激光雷达方程很重要，且都是通过最基本的原始的通用激光雷达方程得到的。

以后就很顺利了，由此推导出的：

这里有一个问题，在求之前，要把两个激光雷达方程相除，才求得，从理论上，只需一个激光雷达就可，但相除之后，消去了和项，这样就简便多了。

又令，即K相同，那么推导出的公式： ，以下就简单了，和和、、、只要知道就行了。而只有这时，没有用到归一化高度。

（6）钠层荧光激光雷达技术

激光雷达方程又作了相应的推导变化变，与中层大气探测时相似，即，故，但此处又用到归一化高度，把K消去了，令=，得，，与前面求中层大气密度廓线时如出一辙。

，通过计算得到，太不清楚了，）可从标准大气模式或探空实测数据得到，和激光雷达可直接探测。到此，基本没有什么了。

所以，通过以上叙述，我们可以知道：

激光雷达公式中，探测每层不同性质的散射时，公式都会根据具体情况作出相应的推导变化，以利于研究和计算。

所有的公式中，都有，回波强度之比，可见这在计算时是很重要的一个方面，要重视。

对在城市建设方面，测绘遥感领域已经有无穷无尽的方法和理论的提出，并很好的应用在了实践中。激光雷达也在近几年很好的发展了起来，并很广泛的应用在建筑、地理信息系统、大气校正、地图成像、城市建设、测绘等方方面面。相信，在不久的将来，随着科学技术的深入发展，应用领域的更加开阔，激光雷达的前景将会更加广阔，在城市建设中也会越来越起到很关键的作用。

参考文献：

《环境监测激光雷达》 阎吉祥等 著 科学出版社 2001

《激光成像》 舒宁 著 武汉大学出版社2005

《遥感数字影像处理导论》[美]John R.Jensen 著陈晓玲龚威 等译机械工业出版社2007

激光原理论文篇（8）

1 光电子材料与器件简介

光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里，光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明，到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世；从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段；从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步，并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下，各种新型光电子材料与器件层出不穷，性能也不断提高。尤其是近年来，随着微米及纳米级加工技术的成熟，新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕，为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。

综上所述，光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位，因此，光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学，而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。

2 光电子材料与器件课程教学研究

2.1 光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择

光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识，例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等，而且与实际应用结合精密，因此，本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。

在课时安排方面，作为电科专业的一门核心专业课程，光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时（2学分），理论课学时不低于26学时，实验课不低于6学时。

另外，在教材选择方面，由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容，而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多，其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材，例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1]，西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件，但是，目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少，市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之，该书中所涉及的理论知识较深，基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见，对于光电子材料与器件这门新兴课程而言，设立统一的教材并不合适。因此，笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容，自行编写该课程的讲义与课件。

2.2 光电子材料与器件课程的理论教学

按照电科专业的专业定位以及培养目标，光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容，在光电子材料与器件教学中要弱化；而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识，要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下，让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。

在教学内容的设置方面，由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中，因此，为了便于学生的理解与知识体系的构建，笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程（共26学时）为例，该理论课程共被分成了绪论（2学时）、激光原理与典型激光器（5学时）、太阳能电池（4学时）、光通信器件与材料（5学时）、光探测器件（5学时）、光电显示器件（3学时）与光存储器件（2学时）等七个章节，这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章内容的设置上，也尽可能突出“工程”内容，弱化“理论”知识。下面，笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。

第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中，向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍，让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中，重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系，并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍，让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。

第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性，其主要内容包括三个部分：激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分，由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程，所以该部分内容为简略介绍的内容，主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重，在该部分内容中，将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似，在介绍完半导体激光器后，可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外，本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。

太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用，但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势，该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中，主要分两小节给学生介绍，第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用，让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求，然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势；第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。

第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节：第一小节介绍光纤通信的基础知识，包括光纤通信的定义，光纤的结构、导光原理、发展历史，以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中，最重要的器件当属光纤，所以，本节开始就着重介绍光纤的相关知识，包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后，又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类，并分别介绍了这两类光器件中的代表器件：掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后，在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件，例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。

第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声；其次，按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器（光电管与光电倍增管）与内光电效应探测器（光电导、光电池与光电二极管）。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。

第六章光显示器件重点介绍四种光显示器：阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。

第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统―― 光盘系统以及其中最总要的器件光盘。

2.3 光电子材料与器件课程的实验教学

光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连，并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件，实验课程的学时应不低于6学时，开设的时间最好在理论教学完成之后，以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面，既要保证与理论课程内容的相辅相成，又要尽量避免与其它课程实验项目的重复，造成资源的浪费。例如，许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程，并配备了相应的激光器实验。在这种情况下，如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容，不仅消耗了宝贵的实验时间，实验效果也会大大降低。

下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学（6学时）中的实验安排。

（1）实验内容：共包含六个实验项目，它们分别是：光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验（每个实验1学时）。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件，这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件，例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件；而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。

（2）实验要求：以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析，但经笔者调研，这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力，因此，在对原有的实验指导书进行改良后，笔者自行编写了实验的指导书，并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验，原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果，但是，在新改良的实验指导书中，要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流，并要求学生分析比较其差别。通过这种方式，充分调动学生的实验积极性，在具体的实验教学中也取得了很好的效果。

（3）实验方式：分组实验，共同撰写实验报告。这样，不仅提高实验效率，还能够锻炼学生的团队协作意识。

激光原理论文篇（9）

1. 引言

波片作为位相延迟器，在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用，如外差激光干涉 仪，偏振光干涉系统，偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波器、可调光衰减器、光 盘驱动器光拾取头等等，其中波片的位相延迟误差会对系统产生影响[1]。正是由于波片在实 际光学系统中的广泛应用，波片的测量技术显得尤为重要。传统的测量方法有旋转消光法、 电光调制法、磁光调制法等，这些方法本质上都属于消光法，需要测角机构，使得整个系统 结构庞大，并且测角的精度会对测量结果产生很大的影响[2-6]。新型的测量方法包括激光频 率分裂法、激光回馈法等，激光频率分裂法精度很高，结构也很简单，但是需要对波片镀增 透膜，不适合实际生产的测量要求[7]。而激光回馈法中，待测波片在激光腔外，不需要进行 镀膜处理，而且整个系统中不需要测角机构以及高精度的检偏器，结构十分简单，因而大大 简化了测量的过程，很适合在线测量的需要。

激光回馈法是利用激光回馈中的偏振跳变现象，通过测量一个扫描周期中两个偏振态的 占空比来实现对波片的测量。由于在长期的测量过程中，很难保证激光器对于两个偏振态的 损耗完全相同，同时，波片的倾斜会造成两个偏振态的透过率不同，当两个偏振态的光强比 值发生变化时，会造成上述占空比的变化，最终导致测量结果产生误差。本文提出了一种双 向扫描测量的方法，可以从理论上完全消除这种误差源，有效地提高了该方法长期测量的准 确性。

测量装置：

图 1 激光回馈波片测量仪装置图

激光回馈波片位相延迟法的测量装置如图 1 所示，反射镜 m1、m2 及增透窗片 w 构成

半外腔单纵模 he-ne 激光器，通过控制压电陶瓷 pzt2 可以使激光器始终在中心频率附近工 作；m3 为回馈镜，反射率为 10%，由压电陶瓷 pzt1 驱动，在计算器输出的三角波信号的 驱动下做往复运动；wp 为待测波片，其快轴方向与激光器的本征偏振方向一致；d1 为光 电探测器，探测激光器的光强信号，经放大器 apm 及 a/d 转换后送入计算机处理；p 为检 偏器，与光电探测器 d2 一起探测回馈信号的偏振信息。

在测量过程中，激光器保证始终工作在中心频率处，出射的线偏振光的偏振方向与波片 的快轴方向重合，pzt1 推动回馈镜 m3 来改变外腔腔长，则我们通过探测器 d2 可以探测 到偏振跳变的波形，根据激光回馈偏振跳变的理论，当回馈腔中存在双折射元件的时候，回 馈波形会产生偏振跳变现象，如图 2 所示。

2. 偏振跳变原理及误差源分析

2.1 o, e 光等效反射率及跳变原理

关于激光回馈偏振跳变理论已有文章做过详细的论述[8]。这里对该理论进行简化性的论 述。

我们把 m2 及回馈镜 m3 等效为 f-p 腔，由于回馈镜的反射率很低，所以我们只考虑

m3 的一次反射。记 m2 的反射系数为 r2 ，透射系数为 t2 ，回馈镜 m3 的反射系数为 r3 ，由 多光束干涉理论我们可以得到此 f-p 腔的等效反射系数为

其等效反射率为:

由于 r3 很小，可以忽略二阶项，于是等效反射率可简化为

r  r  2  r  r  t 2 

而等效腔镜反射率的变化，将直接影响光强信号。所以当外腔没有双折射元件的时候，随着回馈镜的移动，光强呈现为随 l 变化的余弦波形。

当外腔存在双折射元件时，设 o 光方向为 x 方向，e 光方向为 y 方向。双折射元件产生 的位相差为 ，则此时 x、y 两个方向上的等效反射率不一样，分别为

图 2 激光回馈偏振跳变波形

当激光的偏振方向为 x 方向时，x 偏振态的等效反射率 r( x x )  r( x ) 23 ，此时由于 y 偏振光 没有出射，并未进入到外腔，所以其等效反射率 r  r2 ；当激光的偏振方向为 y 方向 时，由于 x 偏振光没有出射，并未进入到外腔，因此 x 偏振态的等效反射率 r  r2 ，y 偏振光的等效反射率 r ( y y )  r( y ) 23 。 对于激光器而言，出射激光的偏振方向取决于两个偏振态各自的损耗。而激光器的损耗与腔 镜的反射率密切相关，反射率越大，其损耗越小。假设初始激光器的偏振态为 x，l 的初始

位置位于 a 点，因此，从图 3 中我们可以看出，在 ab 段，r ( x- x ) > r( x-

，出射光保持为x 偏振态；在 b 点以后， r ( x- x )

（略，想看可以看pdf原文）

2.2 迟滞效应的影响

当 l 向相反方向运动时，按照前边的分析方法，可以得到光强信号及对应的偏振态。 我们可以得到：l 正向运动和反向运动时，等效反射率所走过的路线不一样，偏振态跳变的 方向也不一样，如图 4 所示：当 l 正向运动时，由 x 偏振态跳变到 y 偏振态，x 偏振态所占 周期比大；而当 l 反向运动时，则是由 y 偏振态跳变到 x 偏振态，y 偏振态所占周期比大。 这就是激光回馈偏振跳变现象中的迟滞效应。

我们利用这种偏振跳变的现象，可以实现对波片位相延迟的测量。根据实验的结果，我

3

4. 实验结果

图 6 为实际测量过程中的波形图。我们可以看到，x 偏振态和 y 偏振态的最大光强明显 不同，这也就说明，在整个回馈系统中，两偏振态的损耗是不同的。在长时间的测量过程中， 这种差异也会随之变化，这就对系统长期测量的一致性产生影响。通过同时测量上升沿和下 降沿的周期比，并对两个比值进行平均，可以有效的提高长期测量的稳定性。

图 7 为波片测量仪对一波片连续 8 小时测量的结果。我们可以看到，上升沿的测量结果 整体上是上升的，同时，对应的下降沿的测量结果整体趋势是下降的，因此，通过对二者进 行一个平均处理，补偿后的测量值没有明显的倾斜方向，这也就保证了该系统长期测量结

果的一致性。 由于在实际测量中，我们使用的是压电陶瓷作为驱动装置，来推动回馈镜正向移动和反

激光原理论文篇（10）

市售激光笔，带有频率档的数字万用表，光电三极管(或用锗材料的三极管，如3AX31、3AX81，去掉金属外壳露出管体)，4．7KΩ电阻，10μF的电容，带滑轮的长木板，小车等。

2 激光测速仪的制作

激光测速仪包括激光发射器(用激光笔代替)、激光接收器和频率计(用数字万用表的频率档)。把光电管、定值电阻、电源、频率计按图1连成电路，当光电管受到脉冲激光的照射时，电路中就产生一种脉冲电流，脉冲电流经电容耦合给频率计，便测出了脉冲电流的频率。

3 脉冲激光的形成

在长木板的小滑轮上贴一塑料片，把塑料片的边缘剪成图2的形状，当小滑轮转动时，穿过该处的激光束就变成了脉冲激光束，脉冲光束的频率与滑轮的转速成正比。

4 验证牛顿第二定律

把木板、小车、测速仪按图3安装。当初速度v0=0时，v2=2as。s一定时v2与a成正比，v与滑轮的转速成正比，也与频率计的示数n成正比，即a∞n2。利用数字万用表的瞬时值保留功能，读出小车每次由静止开始加速运动一定的距离s时的瞬时值。当小车的质量不变时，改变小车的拉力，验证n2∞F；当小车的拉力不变时，改变小车的质量，验证n2∞1／m。

5 瞬时频率的读取方法

由于小车做加速运动、滑轮做加速转动，频率计的示数是逐渐变大的。怎样准确的读出小车的位移为s时的频率值呢?一般数字万用表都有瞬时值保存功能，即当小车运动s时按下保存键，显示屏上就保存住了当前的示数。为了减小手按按键造成的偶然误差，要把万用表稍微改造一下，打开表的后壳，在保存键下面的焊点上引出两根导线，导线的另一端接一个微动开关，把微动开关固定在木板的末端A点，小车运动到A点时碰撞开关，使开关闭合，显示屏就保存住了当前的数值。

6 误差分析及改进措施

用该装置得到的测量值a=v2／2s与理论值a=mg／(M+m)进行比较，测量值总是小于理论值。调整装置、平衡摩擦、重复实验，上述误差总是存在，这是为什么呢?笔者认为：测量值总是小于理论值的主要原因是数字万用表的反应速度太慢了，也就是说停表时的示数不是当前的瞬时频率，是停表之前的某一时刻的频率，这个示数必定小于瞬时频率的真实值，所以测量值就总小于理论值。