張祖興　周夏冰

[摘 要] 研究性學(xué)習(xí)可以加深對專業(yè)知識中基本概念和原理的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識分析問題和解決問題的能力。以“激光原理”中光纖激光器為主題的實驗研究性學(xué)習(xí)專題設(shè)計為例，通過對專題的研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生能深刻理解激光器的基本組成、激光產(chǎn)生和形成的基本原理、光和物質(zhì)相互作用的基本物理過程中自發(fā)輻射和受激輻射的本質(zhì)區(qū)別和關(guān)系。此研究性學(xué)習(xí)方法很容易推廣到其他專題，對光電信息專業(yè)課中開展研究性學(xué)習(xí)具有指導(dǎo)價值。

[關(guān)鍵詞] 研究性教學(xué);激光原理;光纖激光

[作者簡介] 張祖興（1975—），男，江西吉安人，博士，南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院教授，光纖通信研究所所長，主要從事光纖激光、光纖通信等方面研究。

[中圖分類號] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2021）12-0069-04? ?[收稿日期] 2020-06-16

一、引言

專業(yè)課的研究性學(xué)習(xí)是在教師指導(dǎo)下的自主學(xué)習(xí)方式和研究活動，既有別于教學(xué)過程之外的自主研究或自主學(xué)習(xí)，又有別于科學(xué)家的研究，主要目的是加深對專業(yè)知識中基本概念和原理的理解和掌握，并能綜合應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識分析問題和解決問題[1，2]。在光電信息專業(yè)課中開展研究性學(xué)習(xí)，主要結(jié)合本專業(yè)的特點探索以下幾個的問題：一是基礎(chǔ)知識的“教”與研究性學(xué)習(xí)的“學(xué)”之間在時間上的合理分配。二是研究性學(xué)習(xí)中研究專題的設(shè)置。研究專題的設(shè)置既要體現(xiàn)本課程的特點，又體現(xiàn)該課程與其他課程的聯(lián)系，學(xué)生在進(jìn)行專題的研究中既能學(xué)到知識，又能體會到技術(shù)的漸進(jìn)完善過程，還原原來的科學(xué)思維活動，達(dá)到傳之以法，授之工具的目的。三是從“問題”出發(fā)對傳統(tǒng)的課程教學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造?，F(xiàn)代某一光電信息專題的解決顯然不可能通過一門課程的學(xué)習(xí)能夠解決，因此有必要將以解決“實際問題”為目的而分散在各門課程的知識點提取并科學(xué)地重組[3-6]。

二、以“激光原理”研究性學(xué)習(xí)專題設(shè)計為例

“激光原理”是光電信息科學(xué)與工程及相關(guān)專業(yè)核心課程，是從事與光學(xué)和光電子領(lǐng)域科學(xué)研究和技術(shù)開發(fā)必須掌握的基礎(chǔ)內(nèi)容。激光是20世紀(jì)人類最重大的科技成就之一。自從1960年梅曼首次獲得激光輸出以來，激光作為一種優(yōu)勢眾多的先進(jìn)光源獲得了廣泛而深入的研究與應(yīng)用， 并對人類生產(chǎn)與生活產(chǎn)生了深刻的影響。光纖激光器具有壽命長、模式好、體積小等一系列其他激光器無法比擬的優(yōu)點，近年來受到來自電子信息、工業(yè)加工等研究開發(fā)領(lǐng)域的高度關(guān)注。但在實際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生經(jīng)過激光原理的學(xué)習(xí)，但對于激光器如何工作仍存在原理不清和認(rèn)識不深等問題。為了讓學(xué)生更好地理解激光器與激光技術(shù)的專業(yè)知識，了解如今激光相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，我們設(shè)計了以光纖激光器為主題的實驗研究性學(xué)習(xí)專題。通過對專題的研究性學(xué)習(xí)，學(xué)生能深刻理解激光器的基本組成、激光產(chǎn)生和形成的基本原理、光和物質(zhì)相互作用的基本物理過程中自發(fā)輻射和受激輻射的本質(zhì)區(qū)別和關(guān)系。

（一）光纖激光器的基本組成

光纖激光器主要由泵浦源、諧振腔和增益光纖組成。泵浦源就是使激光工作介質(zhì)達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的激勵源。粒子從基態(tài)躍遷到高能級稱為泵浦過程。泵浦方式主要有電泵浦、化學(xué)泵浦、光泵浦、氣動泵浦。其中，最常見的是光泵浦和電泵浦，氣體激光器常采用電泵浦方式作為激勵源，光泵浦方式則是用一束光照射工作物質(zhì)，使工作物質(zhì)中粒子吸收光子能量而被激勵到高能級上，廣泛應(yīng)用于固體和液體激光器。諧振腔是光纖激光器的重要組成部分，主要作用是提供正反饋，限制光束的方向和頻率、控制輸出功率和能量等。通過改變諧振腔腔長進(jìn)而改變諧振腔損耗與增益的比值，可以獲得不同功率的激光輸出。諧振腔主要分為F-P腔、環(huán)形腔以及“8”字形腔等。增益光纖采用的是摻稀土元素的摻雜光纖，常見的摻雜離子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等。其中，摻Er3+石英光纖激光波長恰好處于光纖通信最佳“窗口”，目前應(yīng)用最為廣泛。而摻Y(jié)b3+光纖研制的光纖激光器具有較高的光轉(zhuǎn)換效率，Yb3+離子具有較寬的吸收帶和激發(fā)帶，可在1um波段得到高功率的激光輸出，目前發(fā)展也很迅速。

（二）摻Y(jié)b3+光纖激光器的實驗研究

摻鐿光纖激光器具有極高的量子效率，近年來也成了研究的熱點，本實驗的開展利于讓學(xué)生了解激光器的發(fā)展?fàn)顩r，使學(xué)生充分認(rèn)識到該激光器的重要性，提高學(xué)習(xí)積極性。實驗中采用的增益光纖是摻Y(jié)b3+光纖（YDF），當(dāng)980nm泵浦源發(fā)出泵浦光通過增益光纖時，YDF中Yb3+吸收光，從基態(tài)躍遷到高能級，無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級且不斷積累，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，高能級會產(chǎn)生受激輻射，當(dāng)增益大于腔內(nèi)損耗時可形成穩(wěn)定輸出。實驗裝置如圖1所示。其中光隔離器（ISO）實現(xiàn)激光在環(huán)形腔中單向傳播;波分復(fù)用器（WDM），將980nm的泵浦光耦合進(jìn)環(huán)形腔內(nèi);YDF為增益光纖;光子晶體光纖（PCF）用于色散補償;光纖耦合器（OC）比為10/90，10%端接跳線后可連接功率計或光譜儀;跳線連接處便于斷開和連接環(huán)形腔，觀察輸出功率和光譜特性。耦合器、隔離器、波分復(fù)用器等光學(xué)器件存在不可忽略的損耗，僅當(dāng)摻鐿光纖的增益大于腔內(nèi)損耗時才可形成激光。

斷開跳線連接處，此時不構(gòu)成環(huán)形腔，從輸出端可觀察到如圖2所示的較寬的光譜，這是放大了的自發(fā)輻射（ASE）。泵浦光經(jīng)過增益光纖后產(chǎn)生ASE輸出，從斷點處及10%輸出端測到輸出功率隨泵浦功率的變化情況。如圖3所示，可以看到泵浦在約125mA之前，信號光輸出功率較低，在經(jīng)過這個點后，信號光開始隨泵浦光穩(wěn)定線性地增加。

連接斷點處構(gòu)成環(huán)形腔，此時構(gòu)成了一個環(huán)形摻鐿光纖激光器。泵浦功率較低時觀察到的也是形如圖2的較寬的輸出光譜，峰值位于約1030nm的位置，這是因為泵浦光功率還沒有達(dá)到激光產(chǎn)生閾值，即激光增益介質(zhì)導(dǎo)致的增益小于激光腔損耗，受激輻射和自發(fā)輻射相比，自發(fā)輻射還占優(yōu)。當(dāng)增加泵浦功率增大達(dá)到閾值后，從10%輸出端可觀察到如圖4所示輸出光譜，其中心波長約1037.8nm，此時激光腔內(nèi)增益大于損耗且受激輻射占主要地位，調(diào)節(jié)環(huán)形腔內(nèi)的偏振控制器，可以觀察到摻Y(jié)b3+光纖激光器的中心波長的峰值在小范圍內(nèi)波動，繼續(xù)增加泵浦電流，激光輸出功率隨之線性增加，如圖5所示。

（三）理論分析

光纖放大器與激光器實質(zhì)性區(qū)別在于有無反饋環(huán)路，即有無諧振腔結(jié)構(gòu)。實驗中斷開跳線處時相當(dāng)于光纖放大器，由于不存在反饋環(huán)路，在腔內(nèi)不會形成振蕩。泵浦光將大部分處于基態(tài)的摻雜離子抽運到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的離子又迅速無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)，亞穩(wěn)態(tài)與基態(tài)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)信號光子通過增益光纖時，與處于亞穩(wěn)態(tài)的離子相互作用發(fā)生受激輻射，產(chǎn)生大量與自身完全相同的光子，實現(xiàn)信號放大。摻雜離子處于亞穩(wěn)態(tài)時，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還會通過自發(fā)輻射發(fā)出與信號光不相干的光子，這些光子也會被放大，這種放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）同樣會消耗泵浦光，在實驗中我們可以觀察到輸出較寬的光譜。另外，輸出功率之所以會出現(xiàn)經(jīng)過某個值后線性增加，是因為當(dāng)泵浦光功率較低時，反轉(zhuǎn)粒子數(shù)較少，不能達(dá)到該波段的出光要求，因而信號光的吸收大于增益，輸出功率較低。當(dāng)泵浦光大于該波段出光的臨界狀態(tài)后，信號光隨泵浦光功率的提升開始線性增加。

光纖放大器通過加上恰當(dāng)?shù)姆答仚C制可形成激光器，在本實驗中將跳線處連接可形成環(huán)形腔，即構(gòu)成摻鐿光纖激光器。當(dāng)諧振腔內(nèi)的增益高于損耗時，通過激光連續(xù)振蕩產(chǎn)生激光信號輸出。激光發(fā)射是一種在比例上受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過自發(fā)輻射的物理過程，為了使這一過程持續(xù)發(fā)生，必須達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以激光發(fā)射的過程有明顯的閾值，當(dāng)泵浦低于閾值時以自發(fā)輻射為主，不會出現(xiàn)激光。當(dāng)泵浦光功率較低時，大部分的信號種子光功率可能會被吸收而轉(zhuǎn)換為ASE功率，不能使增益光纖中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)達(dá)到976nm激光輸出所需的50%，因而信號光的吸收大于發(fā)射，但此時的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)已達(dá)到準(zhǔn)四能級系統(tǒng)的1030nm波段 ASE的出光條件。隨著泵浦功率的增加，受激輻射占主要地位，產(chǎn)生激光并輸出。

三、結(jié)論

在研究性學(xué)習(xí)過程中，通過搭建光纖激光器和放大器，觀察輸出光譜波形隨泵浦功率的變化情況，可以更直觀地理解光纖激光器和光纖放大器的區(qū)別。從工作原理上分析實驗結(jié)果，不僅可以加深學(xué)生對受激輻射和自發(fā)輻射的認(rèn)識，進(jìn)一步理解激光器和放大器的異同，還可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強分析、解決科研工作中實際問題的能力。

雖然激光器種類繁多，但其原理是相通的，學(xué)生經(jīng)過實際激光器調(diào)節(jié)訓(xùn)練，觸類旁通，能夠迅速進(jìn)入到激光的實際研究中去，對其專業(yè)學(xué)術(shù)水平和技術(shù)操作能力的提高大有裨益。通過光纖激光器實驗操作以及利用Origin軟件分析獲取的信息，增強學(xué)生運用科研軟件分析數(shù)據(jù)和作圖的能力，同時也加深了學(xué)生對知識的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)素養(yǎng)。激光器實驗研究要求學(xué)生具有理論聯(lián)系實際和實事求是的科學(xué)作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度，主動研究的探索精神，對實驗素養(yǎng)的培養(yǎng)極具積極作用。

參考文獻(xiàn)

[1]張利榮.大學(xué)研究性學(xué)習(xí)理念及其實現(xiàn)策略研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2012.

[2]劉智運.論高校研究性教學(xué)與研究性學(xué)習(xí)的關(guān)系[J].中國大學(xué)教學(xué)，2006（2）：24-27.

[3]陳楊華.研究性學(xué)習(xí)模式在學(xué)科競賽中的應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代職業(yè)教育，2019（1）：34-35.

[4]張靜靜.大學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)中開展研究性學(xué)習(xí)思考[J].山西青年，2019（1）：288.

[5]行高民.研究性學(xué)習(xí)與啟發(fā)式教學(xué)關(guān)系初探[J].長治學(xué)院學(xué)報，2018，35（4）：88-90.

[6]付學(xué)琴，陳蘇，龍中兒，等.研究性學(xué)習(xí)教學(xué)模式在微生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].高師理科學(xué)刊，2018，38（5）：94-97.

Abstract： Research-based learning can deepen students understanding and mastery of the basic concepts and principles of professional knowledge， and cultivate their comprehensive application ability of using professional knowledge to analyze and solve problems. Taking the experimental research-based learning topic design of optical fiber laser in the Laser Principle course as an example， students can deeply understand the basic composition of the laser， the basic principles of laser generation and formation， the essential differences and relations between spontaneous emission and stimulated radiation in the basic physical process of light and material interaction through the research-based learning of the topics. This research-based learning method is easy to be extended to other topics and has guiding value for the development of research-based learning in optoelectronic information courses.

Key words： research-based learning; Laser Principle; optical fiber laser