Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ИФВТ
___________
«___» ____________2011 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
Направление ООП:
«ОПТОТЕХНИКА»
Профиль подготовки:
«Оптико-электронные приборы и системы»
Квалификация (степень):
бакалавр
Базовый учебный план приема 2009 г.
Курс:
3
Семестр:
6
Количество кредитов:
8
Пререквизиты:
«Теоретические
основы
электротехники»,
«Основы
оптики»,
«Основы
квантовой
электроники»
Кореквизиты:
«Лазерные технологии и оборудование»
Виды учебной деятельности и временной ресурс:
ЛЕКЦИИ
ЛАБОРАТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
АУДИТОРНЫЕ ЗАНЯТИЯ
САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
ИТОГО
34
34
68
68
часов (ауд.)
часа (ауд.)
часов (ауд.)
часов
часов
136
часов
ФОРМА ОБУЧЕНИЯ
очная
Вид промежуточной аттестации: экзамен в 6 семестре
Обеспечивающая кафедра:
Заведующий кафедрой :
Руководитель ООП:
Преподаватель:
«Лазерной и световой техники»
д.ф.-м.н., профессор В.М. Лисицын
к.ф.-м.н., доцент С.С. Вильчинская
к.ф.-м.н., доцент Е.Ю. Морозова
2011 г.
1. Цели освоения дисциплины
В результате освоения данной дисциплины студент приобретает
знания, умения и навыки, обеспечивающие достижение целей Ц2 и Ц3
основной образовательной программы «Оптотехника».
Дисциплина нацелена на подготовку студентов к:
 научно-исследовательской и производственно-технологической работе
в области элементной базы технологических и исследовательских
лазеров, приемах управления лазерным излучением, основных
направлениях и тенденциях развития лазерной техники;
 решению научно-исследовательских и прикладных задач, возникающих
при проектировании технологических операций и оборудования на
основе лазерного излучения, связанных с выбором необходимых
методов оценки, анализа и формированием целостного представления
об устройстве лазерных приборов различных типов;
 модернизации существующих и разработке новых методов
экспериментальных
исследований
исходя
из
конкретных
технологических задач совершенствования процессов лазерной
обработки
материалов;
общих
принципов
построения
и
функционирования лазеров различного типа и назначения, тенденций
развития, элементной базы, характеристик и параметров типовых узлов
лазерных устройств, конструктивных особенностей и условий
эксплуатации
лазерных
приборов
различного
назначения
(технологических, учебных, исследовательских);
 поиску и анализу профильной научно-технической информации,
необходимой для решения конкретных инженерных задач, в том числе
при подборе типовых узлов для создания лазеров различного
назначения, корректного измерения параметров лазерного излучения,
юстировке лазерных систем, математической оценке параметров
лазерных установок при их конструировании, методах расчетов систем
фокусировки лазерного излучения.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина
относится
к
специальным
дисциплинам
профессионального цикла (СД.Ф.2). Она непосредственно связана с
дисциплинами естественнонаучного и математического цикла (физика,
математика) и общепрофессионального цикла (материаловедение) и
опирается на освоенные при изучении данных дисциплин знания и умения.
Кореквизитами для дисциплины «Лазерная техника» являются дисциплины :
«Теоретические основы электротехники», «Основы оптики», «Основы
квантовой электроники».
3. Результаты освоения дисциплины
При
изучении
дисциплины
студенты
должны
научиться
самостоятельно
планировать
проведение
эксперимента,
выбирать
оптимальные методики и оборудование для экспериментальных
исследований, рационально определять условия и диапазон экспериментов,
проводить обработку полученных результатов.
После изучения данной дисциплины студенты приобретают знания,
умения и опыт, соответствующие результатам основной образовательной
программы: Р2, Р3, Р4, Р5, Р6, Р11. Соответствие результатов освоения
дисциплины «Лазерная техника» формируемым компетенциям ООП
представлено в таблице.
Формируемые
компетенции в
Результаты освоения дисциплины
соответствии с
ООП*
З.2.1, З.3.1,
В результате освоения дисциплины студент должен знать:
З.3.2, З.4.3,
основные тенденции и направления развития световой,
З.5.2.
оптической и лазерной техники, оптического и светотехнического
материаловедения и оптических и светотехнических технологий;
элементную базу оптических и светотехнических систем,
оптической и световой техники; основные типы и характеристики
лазерных систем; элементную базу лазерной техники; технику
безопасности при работе с лазерами; основные принципы
построения, методы проектирования и расчета оптической,
световой и лазерной техники на базе системного подхода,
включая этапы функционального, конструкторского и
технологического проектирования на уровне элементов и узлов,
требования стандартизации технической документации;
отдельные типы оптических, светотехнических и лазерных
приборов и систем, особенности их конструкции, технологии
производства, а также условия и методы их эксплуатации
У.3.3, У.6.1,
В результате освоения дисциплины студент должен уметь:
У.11.3.
осуществлять корректный выбор элементов оптических систем,
источников и приёмников оптического излучения; юстировать и
контролировать оптическую, световую и лазерную технику;
применять правила техники безопасности при работе с техникой
В.3.2, В.6.1
В результате освоения дисциплины студент должен владеть
опытом:
работы с мощным лазерным излучением; методами анализа и
расчёта основных характеристик лазерных систем при
проектировании приборов оптотехники; методами определения
основных параметров элементов лазерной техники; наладки,
настройки и эксплуатации оптической, световой и лазерной
техники для решения различных задач.
*Расшифровка кодов результатов обучения и формируемых компетенций
представлена в Основной образовательной программе подготовки бакалавров
по направлению 200400 «Оптотехника».
4. Структура и содержание дисциплины
4.1 Структура дисциплины по разделам, формам организации и
контроля обучения
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Название
раздела/темы
Введение в курс
Элементная база
лазеров и
лазерных
установок
Элементы
оптической
схемы различных
лазеров
Характеристики
и параметры
излучателей
основных типов
лазеров
Блоки питания
лазерных
установок
Транспортировка
лазерных пучков
Измерение
параметров
лазерных пучков
Лабораторные и
технологические
лазеры
Схемы лазерных
установок
сверхмощных
импульсов
Безопасность при
работе с
лазерными
установками
Промежуточная
аттестация
Итого
Аудиторная работа
(час)
Лекции
Лаб. зан.
2
4
2
СРС
(час)
Итого
2
8
Формы текущего
контроля и
аттестации
Устный отчет
14
Промежуточный
отчет
4
4
8
16
Отчеты по
лабораторным
работам
4
4
8
16
Презентация
4
4
8
16
Отчеты по
лабораторным
работам
4
4
8
16
Презентация
Отчеты по
лабораторным
работам
4
4
8
16
4
4
8
16
2
4
8
14
2
4
4
10
Групповой отчет
Экзамен
34
34
68
136
При сдаче отчетов и письменных работ проводится устное собеседование.
4.2 Содержание разделов дисциплины
Раздел 1. Введение в курс
Лекция. Введение. Цели и задачи освоения дисциплины. Понятия лазера,
лазерной установки и лазерного комплекса. Классификация лазеров по
различным признакам (устройству, назначению, исполнению, параметрам
излучения, классу опасности), особенности конструкций различных лазеров.
Раздел 2. Элементная база лазеров и лазерных установок
Лекция. Основные принципы работы лазерных устройств. Активные
среды, их агрегатные состояния, условия генерации способы накачки.
Резонатор – устройство, назначение и модовая структура Совместная работа
системы активная среда - резонатор. Модуляторы.
Раздел 3. Элементы оптической схемы различных лазеров
Лекция. Активные элементы твердотельных лазеров, жидкие активные среды,
газообразные активные среды. Способы накачки активных сред. Лазеры на
свободных электронах. Зеркала лазерных резонаторов, модуляторы,
конструкционные элементы.
Раздел 4. Характеристики и параметры излучателей основных
типов лазеров
Лекция. Твердотельные непрерывные, импульсные и импульснопериодические лазеры, лазеры на красителях, газоразрядные лазеры – гелийнеоновый, СО2 с диффузным охлаждением, быстропроточные СО2 лазеры,
лазеры на парах металлов, эксимерные лазеры.
Раздел 5. Блоки питания лазерных установок.
Лекция. Элементная база блоков питания, составные узлы – трансформаторы
выпрямители, накопители, фильтры, принцип работы. Схемы управления
лазерных установок.
Раздел 6. Транспортировка лазерных пучков.
Лекция. Способы фокусировки и транспортировки лазерных пучков, условие
ввода излучения в световод, фокусировка излучения за световодом,
некоторые особенности технологических объективов.
Раздел 7. Измерение параметров лазерных пучков
Лекция. Приборы для измерения различных параметров лазерных пучков,
схемы измерения, правила проведения корректных измерений.
Раздел 8. Лабораторные и технологические лазеры
Лекция. Электрические и оптические схемы лазеров. Примеры использования
установок.
Раздел 9. Схемы лазерных установок сверхмощных импульсов
Лекция. Принципы получения сверхмощных импульсов. Примеры схем.
Качество пучка.
Раздел 10. Безопасность при работе с лазерными установками
Лекция. Основные вредные и опасные факторы при работе лазеров, средства
и меры индивидуальной и коллективной безопасности.
Раздел 11. Промежуточная аттестация.
4.3 Распределение компетенций по разделам дисциплины
Распределение по разделам дисциплины планируемых результатов
обучения по основной образовательной программе, формируемых в рамках
данной дисциплины и указанных в пункте 3.
№ Формируемые
компетенции
1.
З.2.1
2.
З.3.1
3.
З.3.2
4.
З.4.3
5.
З.5.2
6.
У.3.3
7.
У.6.1
8.
У.11.3
9.
В.3.2
10.
В.6.1
1
х
х
2
3
х
х
х
х
Разделы дисциплины
4
5
6
7
х
х
х
х
8
9
х
х
х
х
х
10
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины используются следующие сочетания видов
учебной работы с методами и формами активизации познавательной
деятельности студентов для достижения запланированных результатов
обучения и формирования компетенций.
Методы и формы
активизации
деятельности
Дискуссия
IT-методы
Командная работа
Разбор кейсов
Опережающая СРС
Индивидуальное
обучение
Проблемное
обучение
Обучение на основе
опыта
ЛК
х
х
х
Виды учебной деятельности
ЛБ
СРС
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
х
Для достижения поставленных целей преподавания дисциплины
реализуются следующие средства, способы и организационные мероприятия:
 изучение теоретического материала дисциплины на лекциях с
использованием компьютерных технологий;
 самостоятельное изучение теоретического материала дисциплины с
использованием Internet-ресурсов, информационных баз, методических
разработок, специальной учебной и научной литературы;
 закрепление теоретического материала при проведении лабораторных
работ с использованием учебного и научного оборудования и
приборов, выполнения проблемно-ориентированных, поисковых,
творческих заданий.
6. Организация и учебно-методическое обеспечение самостоятельной
работы студентов (CРC)
6.1 Текущая и опережающая СРС, направленная на углубление и
закрепление знаний, а также развитие практических умений заключается в:
 работе студентов с лекционным материалом, поиск и анализ литературы
и электронных источников информации по заданной проблеме;
 выполнении домашних заданий;
 переводе материалов из тематических информационных ресурсов с
иностранных языков;
 изучении тем, вынесенных на самостоятельную проработку;
 изучении теоретического материала к лабораторным занятиям;
 изучении инструкций к приборам и подготовке к выполнению
лабораторных работ;
 подготовке к экзамену.
6.1.1 Темы, выносимые на самостоятельную проработку:
1. Типовые оптические схемы оптико-электронных устройств.
2. Конденсоры, фильтры, бленды, типы, основные характеристики.
3. Свойства преобразования Фурье (теоремы о спектрах).
4. Параметры и характеристики приемников излучения.
5. Электронно-оптический преобразователь, устройство, принцип
действия.
6. Когерентные источники излучения, классификация.
7. Сканирование в ООЭСП, сравнительная характеристика способов
сканирования.
8. Адаптивные оптико-электронные системы.
9. Схемы включения ПИ, расчет параметров цепи включения
6.2 Творческая проблемно-ориентированная самостоятельная
работа (ТСР) направлена на развитие интеллектуальных умений, комплекса
универсальных (общекультурных) и профессиональных компетенций,
повышение творческого потенциала студентов и заключается в:
 поиске, анализе, структурировании и презентации информации, анализе
научных публикаций по определенной теме исследований;
 анализе статистических и фактических материалов по заданной теме,
проведении расчетов, составлении схем и моделей на основе
статистических материалов;
 выполнении расчетно-графических работ;
 исследовательской работе и участии
конференциях, семинарах и олимпиадах.
в
научных
студенческих
7. Средства текущей и итоговой оценки качества освоения дисциплины
(фонд оценочных средств)
Оценка успеваемости студентов осуществляется по результатам:
 самостоятельного
(под контролем учебного мастера) выполнения
лабораторной работы;
 устного опроса при сдаче выполненных индивидуальных заданий,
защите отчетов по лабораторным работам и во время экзамена в 6
семестре (для выявления знания и понимания теоретического
материала дисциплины).
7.1 Требования к содержанию экзаменационных вопросов
Экзаменационные билеты включают три типа заданий:
1. Теоретический вопрос.
2. Проблемный вопрос или расчетная задача.
3. Творческое проблемно-ориентированное задание.
7.2 Примеры экзаменационных вопросов
1. Основные определения (лазер, активная среда, резонатор, инверсная
населенность, накачка).
2. Двухуровневая схема работы лазера.
3. Трехуровневая схема работы лазера.
4. Четырехуровневая схема работы лазера.
5. Ширина спектральной линии, механизмы уширения.
6. Усиление в активной среде – Экспоненциальный, линейный участки,
участок насыщения.
7. Обеспечение положительной обратной связи.
8. Устойчивые и неустойчивее резонаторы, резонаторы на грани
устойчивости.
9. Продольные и угловые моды резонатора.
10.Совместная работа активной среды и резонатора.
11.Классификация лазеров.
12.Активные элементы из рубина, рубиновые лазеры.
13.Неодимовые лазеры ( алюмоиттриевый гранат, стекло).
14.Оптическая накачка, конфигурация осветителей.
15.Квантрон.
16.Жидкостные лазеры.
17.Газоразрядные отпаянные лазеры.
18.Быстропроточные газовые лазеры.
19.Зеркала и отражающие элементы.
20.Оптико-механические затворы.
21.Фототропные затворы.
22.Электрооптический затвор с ячейкой Керра.
23.Электрооптический затвор с ячейкой Поккельса.
24.Оптические схемы твердотельных технологических лазеров.
25.Оптические схемы одномодовых и многомодовых лазеров.
26.Схема и принцип работы установки «задающий лазер – усилители».
27.Блоки питания лазеров – назначение и классификация.
28.Разрядный контур питания лампы накачки.
29.Накладной поджиг и принцип работы.
30.Встроенный и параллельный поджиги.
31.Поджиг «дежурной дугой».
32.Зарядные блоки накопителей.
33.Индуктивно-емкостной преобразователь.
34.Схема прямой фокусировки лазерного излучения.
35.Проекционный способ фокусировки.
36.Применение телескопических систем для фокусировки лазерного
излучения.
37.Измерение энергии лазерного пучка.
38.Измерение временных параметров лазерного пучка.
39.Опасные факторы при работе лазерной установки.
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение модуля
(дисциплины)
Основная литература:
1. Б.Р. Белостоцкий и др. Основы лазерной техники, М, «Советское
радио», 1972г.,408 с.
2. Справочник по лазерной технике, Пер. с немецкого, М.
«Энергоатомиздат», 1991 г. 544с.
3. И.И. Пахомов, А.Б. Цибуля Расчет оптических систем лазерных
приборов. М, «Радио и связь»1986 г.,150 с.
4. К.И. Крылов Основы лазерной техники: Учебное пособие для вузов /
К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, В.А. Тарлыков. - Л.: Машиностроение,
1990.—316 с.: ил. (Для вузов). - Библиогр.: с. 314.
5. Б.Н. Рахманов Безопасность при эксплуатации лазерных установок /
Б.Н. Рахманов, Е.Д. Чистов. - М.: Машиностроение, 1981. - 113 с.
6. Справочник по лазерам: В 2-х томах: Пер. с англ. / Под ред. А. М.
Прохорова..—1978.—503 с.
7. В.А. Прянишников Теоретические основы электротехники: Курс
лекций / В.А. Прянишников. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Корона
принт, 2000. - 368 с.: ил. - (Учебник для высших и средних учебных
заведений).
Вспомогательная литература
1. А.Н. Пихтин Оптическая и квантовая электроника: Учебник /
А.Н. Пихтин. - М.: Высшая школа, 2001. - 573 с.
2. В.И. Дудкин Основы квантовой электроники: Учебное пособие /
СПбГТУ. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - 307 с.
3. И.Г. Иванов Ионные лазеры на парах металлов / И.Г. Иванов,
Е.Л. Латуш, М.Ф. Сэм. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
4. Основы теории цепей: Учебное пособие / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин,
А.В. Нетушил, С.В. Страхов. - 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат,
1989. - 528 с.
9. Материально-техническое обеспечение модуля (дисциплины)
При изучении основных разделов дисциплины и выполнении
лабораторных работ студенты используют следующее оборудование:
 Промышленный лазер LQ-929
 Модифицированный лазер ГОС-1000
 Модифицированный лазер ГОС-300
 Излучатель ИЗ-60 с внешним накопителем
 Промышленный лазер ИЛГН-702
 Промышленный лазер ЛТН-103
* приложение – Рейтинг-план освоения модуля (дисциплины) в течение
семестра.
Программа составлена на основе Стандарта ООП ТПУ в соответствии с
требованиями ФГОС-2010 по направлению «Оптотехника» и по профилю
подготовки «Оптико-электронные приборы и системы».
Автор:
Морозова Е.Ю.
Программа одобрена на заседании кафедры ЛИСТ ИФВТ
(протокол № ____ от «___» _______ 2011 г.)