激光速率方程可视化教学VISUALIZED TEACHING OF LASER RATE EQUATIONS
韩云鑫,刘可,张栋文,张森,刘永录,彭刚
摘要(Abstract)：
激光速率方程是描述激光产生过程中粒子数演化与光场相互作用的核心理论,但其抽象的数学形式和复杂的物理过程给教学带来诸多挑战。本文以四能级系统为研究对象,基于Matlab数值仿真技术构建激光速率方程可视化教学平台,系统阐述四能级速率方程与增益系数的理论,通过动态仿真分析泵浦功率、激光上能级寿命、激光输出镜反射率等关键参数对各能级粒子数密度、增益系数及输出光强的影响。教学实践表明,该可视化方法能将抽象理论具象化,帮助学生直观理解参数变化的物理意义,显著提升学习效果。
关键词(KeyWords)： 激光速率方程;四能级系统;增益系数;Matlab;可视化教学
基金项目(Foundation): 湖南省普通高等学校教学改革研究项目（202502000009;202502000047;HNJG-20230040）
作者(Author): 韩云鑫,刘可,张栋文,张森,刘永录,彭刚
DOI: 10.27024/j.wlygc.2025.08.02.01
参考文献(References)：
- [1] 蒋国保，陈英，林文烽，等.MATLAB仿真辅助激光原理教学的优势[J].长沙大学学报，2019,33(5):17-20.JIANG B G,CHEN Y,LIN W F,et al.Thinking on the application of MATLAB simulation in laser principle teaching[J].Journal of Changsha University,2019,33(5):17-20.(in Chinese)
- [2] 李伦，龚马利，刘兴占，等.MATLAB用于激光光束质量分析[J].激光技术，2000,24(6):405-408.LI L,GONG M L,LIU X Z,et al.A software for laser beam analysis[J].Laser Technology,2000,24(6):405-408.(in Chinese)
- [3] 王玉杰，李武军，李恩琪.方形镜对称共焦腔激光模式的数值模拟研究[J].河南科技，2021(6):42-46.WANG Y J,LI W J,LI E Q.Numerical simulation research on laser mode of square mirror symmetrical confocal cavity[J].Henan Science and Technology,2021(6):42-46.(in Chinese)
- [4] 殷建玲，敖志伟，沈学举，等.基于MATLAB GUI的激光原理仿真[J].教育教学论坛，2017(36):275-276.YIN J L,AO Z W,SHEN X J,et al.Simulation of laser principle based on MATLAB GUI[J].Education Teaching Forum,2017(36):275-276.(in Chinese)
- [5] 毛少娟，陈玉丹，殷建玲.基于MATLAB的物理光学仿真[J].教育教学论坛，2016(44):100-102.MAO S J,CHEN Y D,YIN J L.Physical optics simulation based on MATLAB[J].Education Teaching Forum,2016(44):100-102.(in Chinese)
- [6] 王晓峰，康冬丽，树俊波，等.激光形成过程和谐振腔自再现模的数值分析[J].大学物理，2011,30(11):10-14.WANG X F,KANG D L,SHU J B,et al.Numerical simulation of the laser formation and self-reproducing in optical oscillator[J].College Physics,2011,30(11):10-14.(in Chinese)
- [7] 李文材.激光原理及应用课程教学与MATLAB仿真结合的探索[J].办公自动化，2025(3):46-49.LI W C.Exploration of integrating MATLAB simulation with the teaching of the course〈Laser Principles and Applications〉[J].Office Informatization,2025(3):46-49.(in Chinese)
- [8] 李适民.激光器件原理与设计[M].北京：国防工业出版社，1998:158-175.LI S M.Principle and design of laser device[M].Beijing:National Defense Industry Press,1998:158-175.(in Chinese)
- [9] 周炳琨.激光原理[M].7版.北京：国防工业出版社，2017:227-230.ZHOU B K.The Principle of Laser[M].7th ed.Beijing:National Defense Industry Press,2017:227-230.(in Chinese)