“激光原理”研究性學(xué)習(xí)的實(shí)踐探索

張祖興　周夏冰

[摘 要] 研究性學(xué)習(xí)可以加深對(duì)專業(yè)知識(shí)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(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。以“激光原理”中光纖激光器為主題的實(shí)驗(yàn)研究性學(xué)習(xí)專題設(shè)計(jì)為例，通過(guò)對(duì)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(guò)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(duì)光電信息專業(yè)課中開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)具有指導(dǎo)價(jià)值。

[關(guān)鍵詞] 研究性教學(xué);激光原理;光纖激光

[作者簡(jiǎn)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(zhǎng)，主要從事光纖激光、光纖通信等方面研究。

[中圖分類號(hào)] G642.0? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A? ? [文章編號(hào)] 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(dòng)，既有別于教學(xué)過(guò)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(duì)專業(yè)知識(shí)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(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題[1，2]。在光電信息專業(yè)課中開(kāi)展研究性學(xué)習(xí)，主要結(jié)合本專業(yè)的特點(diǎn)探索以下幾個(gè)的問(wèn)題：一是基礎(chǔ)知識(shí)的“教”與研究性學(xué)習(xí)的“學(xué)”之間在時(shí)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(diǎn)，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(shí)，又能體會(huì)到技術(shù)的漸進(jìn)完善過(guò)程，還原原來(lái)的科學(xué)思維活動(dòng)，達(dá)到傳之以法，授之工具的目的。三是從“問(wèn)題”出發(fā)對(duì)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(guò)一門課程的學(xué)習(xí)能夠解決，因此有必要將以解決“實(shí)際問(wèn)題”為目的而分散在各門課程的知識(shí)點(diǎn)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(jì)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(kāi)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(lái)，激光作為一種優(yōu)勢(shì)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(duì)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(zhǎng)、模式好、體積小等一系列其他激光器無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到來(lái)自電子信息、工業(yè)加工等研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的高度關(guān)注。但在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，雖然學(xué)生經(jīng)過(guò)激光原理的學(xué)習(xí)，但對(duì)于激光器如何工作仍存在原理不清和認(rèn)識(shí)不深等問(wèn)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(shí)，了解如今激光相關(guān)技術(shù)的發(fā)展情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了以光纖激光器為主題的實(shí)驗(yàn)研究性學(xué)習(xí)專題。通過(guò)對(duì)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(guò)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(lì)源。粒子從基態(tài)躍遷到高能級(jí)稱為泵浦過(guò)程。泵浦方式主要有電泵浦、化學(xué)泵浦、光泵浦、氣動(dòng)泵浦。其中，最常見(jiàn)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(lì)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(lì)到高能級(jí)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(guò)改變諧振腔腔長(zhǎng)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(jiàn)的摻雜離子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等。其中，摻Er3+石英光纖激光波長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)研究

摻鐿光纖激光器具有極高的量子效率，近年來(lái)也成了研究的熱點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)的開(kāi)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(shí)到該激光器的重要性，提高學(xué)習(xí)積極性。實(shí)驗(yàn)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(guò)增益光纖時(shí)，YDF中Yb3+吸收光，從基態(tài)躍遷到高能級(jí)，無(wú)輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)且不斷積累，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，高能級(jí)會(huì)產(chǎn)生受激輻射，當(dāng)增益大于腔內(nèi)損耗時(shí)可形成穩(wěn)定輸出。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。其中光隔離器（ISO）實(shí)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(bǔ)償;光纖耦合器（OC）比為10/90，10%端接跳線后可連接功率計(jì)或光譜儀;跳線連接處便于斷開(kāi)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(shí)才可形成激光。

斷開(kāi)跳線連接處，此時(shí)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(guò)增益光纖后產(chǎn)生ASE輸出，從斷點(diǎn)處及10%輸出端測(cè)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(hào)光輸出功率較低，在經(jīng)過(guò)這個(gè)點(diǎn)后，信號(hào)光開(kāi)始隨泵浦光穩(wěn)定線性地增加。

連接斷點(diǎn)處構(gòu)成環(huán)形腔，此時(shí)構(gòu)成了一個(gè)環(huán)形摻鐿光纖激光器。泵浦功率較低時(shí)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?yàn)楸闷止夤β蔬€沒(méi)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(zhǎng)約1037.8nm，此時(shí)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(zhǎng)的峰值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，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(shí)質(zhì)性區(qū)別在于有無(wú)反饋環(huán)路，即有無(wú)諧振腔結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)中斷開(kāi)跳線處時(shí)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(huì)形成振蕩。泵浦光將大部分處于基態(tài)的摻雜離子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的離子又迅速無(wú)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(hào)光子通過(guò)增益光纖時(shí)，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(shí)現(xiàn)信號(hào)放大。摻雜離子處于亞穩(wěn)態(tài)時(shí)，除了發(fā)生受激輻射和受激吸收以外，還會(huì)通過(guò)自發(fā)輻射發(fā)出與信號(hào)光不相干的光子，這些光子也會(huì)被放大，這種放大的自發(fā)輻射（Amplified Spontaneous Emission，ASE）同樣會(huì)消耗泵浦光，在實(shí)驗(yàn)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(huì)出現(xiàn)經(jīng)過(guò)某個(gè)值后線性增加，是因?yàn)楫?dāng)泵浦光功率較低時(shí)，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(hào)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(hào)光隨泵浦光功率的提升開(kāi)始線性增加。

光纖放大器通過(guò)加上恰當(dāng)?shù)姆答仚C(jī)制可形成激光器，在本實(shí)驗(yàn)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(shí)，通過(guò)激光連續(xù)振蕩產(chǎn)生激光信號(hào)輸出。激光發(fā)射是一種在比例上受激輻射遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自發(fā)輻射的物理過(guò)程，為了使這一過(guò)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(guò)程有明顯的閾值，當(dāng)泵浦低于閾值時(shí)以自發(fā)輻射為主，不會(huì)出現(xiàn)激光。當(dāng)泵浦光功率較低時(shí)，大部分的信號(hào)種子光功率可能會(huì)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(hào)光的吸收大于發(fā)射，但此時(shí)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)已達(dá)到準(zhǔn)四能級(jí)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(guò)程中，通過(guò)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(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅可以加深學(xué)生對(duì)受激輻射和自發(fā)輻射的認(rèn)識(shí)，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(qiáng)分析、解決科研工作中實(shí)際問(wèn)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(guò)實(shí)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(shí)際研究中去，對(duì)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(guò)光纖激光器實(shí)驗(yàn)操作以及利用Origin軟件分析獲取的信息，增強(qiáng)學(xué)生運(yùn)用科研軟件分析數(shù)據(jù)和作圖的能力，同時(shí)也加深了學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)素養(yǎng)。激光器實(shí)驗(yàn)研究要求學(xué)生具有理論聯(lián)系實(shí)際和實(shí)事求是的科學(xué)作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度，主動(dòng)研究的探索精神，對(duì)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的培養(yǎng)極具積極作用。

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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