激光原理與技術課程中自發(fā)輻射教學改革

陳海燕

激光原理與技術課程中自發(fā)輻射教學改革

陳海燕

（長江大學 物理與光電工程學院，湖北 荊州 434023）

自發(fā)輻射是愛因斯坦激光理論中的基本概念之一．激光器是一個自激振蕩器，其輸出激光來自于泵浦光作用下激光物質(zhì)的自發(fā)輻射信號．將現(xiàn)象-理論-模擬-新現(xiàn)象“四維一體”的教學模式應用于自發(fā)輻射概念的教學中，構(gòu)建抽象概念與具體激光現(xiàn)象之間的橋梁．教學實踐表明，該教學模式能有效地提高學生的理解力、創(chuàng)新力及學習興趣．

PTSNP教學模式；自發(fā)輻射；激光原理與技術；教學改革

激光原理與技術是光電信息科學與工程專業(yè)的專業(yè)核心課程，概念多、理論性強、晦澀難懂．實際上，最重要的基本概念只有4個，即自發(fā)輻射、受激輻射、受激吸收與增益飽和．其中受激輻射是產(chǎn)生激光的必要條件，自發(fā)輻射是激光的來源，激光器是一個自激振蕩器，其輸出激光來自于泵浦光作用下激光物質(zhì)的自發(fā)輻射信號，而增益飽和則是激光器穩(wěn)定輸出的機制．

為了提高激光原理與技術課程的教學效果，學者們進行了教學改革與探索．郭明磊[1]等將以學習成果為導向的OBE 教學理念引入激光原理課程的教學，并依據(jù)OBE 教學理念確定的教學目標，設計各個教學環(huán)節(jié)；文獻[2-3]在激光原理與技術課程的教學中引入研究性學習，闡述激光器與放大器的區(qū)別，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力；胡姝玲[4]探索在激光原理與技術課程教學中貫徹“工業(yè) 4.0”，提高學生創(chuàng)新意識和能力；張檢發(fā)[5]等將課程思政引入激光原理與技術課程教學，培養(yǎng)學生的科學精神．文獻[6]提出了一種“現(xiàn)象-理論-模擬-新現(xiàn)象”（簡稱PTSNP）的“四維一體”教學模式，該教學模式以實驗現(xiàn)象為出發(fā)點與落腳點，它是一種以實驗現(xiàn)象為基礎，以解釋現(xiàn)象的基本理論為主導，以應用、研究、前沿為窗口的教學模式．

本文應用PTSNP教學模式對自發(fā)輻射概念的教學進行改革，首先以Er-Yb共摻光纖為例，通過實驗觀察其自發(fā)輻射現(xiàn)象，再利用理論模型對所觀察的自發(fā)輻射現(xiàn)象進行解釋，最后回到均勻加寬與非均勻加寬激光介質(zhì)的自發(fā)輻射現(xiàn)象上來，介紹如何確定實際激光介質(zhì)的自發(fā)輻射譜線線型函數(shù)．

1 自發(fā)輻射現(xiàn)象

愛因斯坦關于自發(fā)輻射的定義是，在沒有外界信號的作用下，處于高能級的粒子自發(fā)地向低能級躍遷產(chǎn)生的一種輻射．自發(fā)輻射譜線具有加寬特性，按引起譜線加寬的具體物理因素來分，可分為均勻加寬（自然加寬和碰撞加寬）、非均勻加寬（多普勒加寬）及綜合加寬．Er-Yb共摻光纖自發(fā)輻射譜線屬于均勻加寬（自然加寬）．激光介質(zhì)（Er-Yb共摻光纖）自發(fā)輻射現(xiàn)象的實驗原理見圖1[7]．該實驗所用器件有980 nm泵浦激光器1臺，用于給自發(fā)輻射提供能量；980/1 550 nm光纖波分復用器1個；激光介質(zhì)Er-Yb共摻光纖；光隔離器1個；用于阻擋穿過Er-Yb共摻光纖的剩余980 nm泵浦光以及用于觀察自發(fā)輻射現(xiàn)象的光譜分析儀．

圖1 Er-Yb共摻光纖自發(fā)輻射譜測量示意圖

圖2 Er3+能級示意圖譜

圖3 Er-Yb共摻光纖自發(fā)輻射譜

2 自發(fā)輻射的理論模型及譜線線型函數(shù)

2.1 均勻加寬線型函數(shù)

均勻加寬是由于粒子在能級上的有限壽命產(chǎn)生的，可用經(jīng)典電偶極子模型來解釋．按照經(jīng)典電偶極子模型，處于激發(fā)態(tài)的離子具有一定的壽命，其對應的電偶極矩發(fā)射的電磁波是衰減的，其數(shù)學表達式[8]為

將式（2）進行傅立葉變換，可得到其頻譜

2.2 非均勻加寬線型函數(shù)

2.3 自發(fā)輻射譜線線型函數(shù)的實際確定

式（4）（5）是解釋自發(fā)輻射現(xiàn)象的理論模型，而非實際情況，理論模型與現(xiàn)實情形存在一定差距．在圖2中的Er-Yb共摻光纖自發(fā)輻射譜線的線型函數(shù)就不是一個標準的洛倫茲函數(shù)．實際工作中，確定激光介質(zhì)自發(fā)輻射譜線線型函數(shù)的步驟是：先通過實驗獲得激光介質(zhì)的自發(fā)輻射譜，再用計算機提取譜線數(shù)據(jù)，然后用擬合（優(yōu)化）的方法得到其譜線函數(shù)的數(shù)學表達式．計算結(jié)果表明，Er-Yb共摻光纖自發(fā)輻射譜線的線型函數(shù)由中心波長在1 532 nm及1 545 nm的2個洛倫茲函數(shù)疊加而成[9]．InP/InGaAsP多量子阱半導體激光介質(zhì)的自發(fā)輻射譜的線型函數(shù)可用高斯函數(shù)描述[10]．

3 教學實踐效果

為了提高學生培養(yǎng)質(zhì)量，教育部出臺了相關專業(yè)認證標準[11]．根據(jù)工程教育認證的要求，課程目標達成度分為直接評價與間接評價，間接評價一般采用問卷調(diào)查的方法進行．本課程關于“自發(fā)輻射”的問卷調(diào)查題目是：“通過本課程的學習，我掌握了自發(fā)輻射現(xiàn)象及實驗數(shù)據(jù)處理”．2019級光電信息科學與技術專業(yè)79名學生參與問卷調(diào)查，結(jié)果是非常認同與很認同占比96.2%，說明取得了比較好的教學實踐效果．

綜上所述，PTSNP教學模式體現(xiàn)了從實踐中來到實踐中去的科學方法論，學生在自發(fā)輻射現(xiàn)象的學習中形成了一個閉環(huán)，有利于提高學生對抽象理論知識的理解，體現(xiàn)了在“做中學”，在“學中做”的工程教育理念．該模式符合人的認識規(guī)律，有助于培養(yǎng)學生的學習興趣及創(chuàng)新能力．

[1]郭明磊，王郭，呂躍鳳，等．基于 OBE 理念“激光原理與技術”課程的教學改革探討[J]．科技風，2022（5）：91-93．

[2]張祖興，周夏冰．“激光原理”研究性學習的實踐探索[J]．教育教學論壇，2021（12）：69-72．

[3]于銀山，張紅云．研究性教學在激光原理課程的應用[J]．教育教學論壇，2019（27）：199-200．

[4]胡姝玲．服務新工科建設的大學生創(chuàng)新教育的理論與實踐：《激光原理與技術》課程教學中踐行提高學生創(chuàng)新能力[J]．教育現(xiàn)代化，2019（91）：37-38．

[5]張檢發(fā)，劉蘋，彭嘉隆，等．激光原理與技術課程思政教學探索及實踐[J]．高教學刊，2023，9（16）：184-187．

[6]陳海燕．現(xiàn)象-理論-模擬-新現(xiàn)象教學模式探索[J]．中國電力教育，2013（4）：45-46．

[7]陳聰，陳海燕，陳禮林．Er-Yb共摻光纖光柵光纖激光器[J]．光通信技術，2013，37（5）：43-45．

[8]陳海燕．激光原理與技術[M]．北京：國防工業(yè)出版社，2016．

[9]黃凱強，王勇，黎琦，等．摻鉺光纖自發(fā)輻射譜的解析函數(shù)[J]．光通信研究，2015，41（3）：61-62．

[10]劉志勇，陳海燕．InP/InGaAsP多量子阱自發(fā)輻射譜的解析函數(shù)[J]．物理學報，2017，66（13）：134204．

[11]教育部高等學校教學指導委員會．普通高等學校本科專業(yè)類教學質(zhì)量國家標準：上[M]．北京：高等教育出版社，2018，304-314．

Teaching reform for spontaneous emission in laser principle and technology course

CHEN Haiyan

（School of Physics and Optoelectronic Engineering，Yangtze University，Jingzhou 434023，China）

Spontaneous emission is one of basic concepts in Einstein′s laser theory．Laser is a self-excited oscillator， which laser output comes from the spontaneous emission of laser matter under pump light．Use the phenomena- theory-stimulation-new phenomena（PTSNP）teaching mode in teaching the concept of spontaneous emission，the bridge between abstract concept and real laser phenomena is built．It demonstrates that the PTSNP teaching mode can improve efficiently students′ understanding，innovation，and learninginterest．

PTSNP teaching mode；spontaneous emission；laser principle and technology；teaching reform

1007-9831（2023）10-0086-03

O432∶G642.0

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2023.10.017

2023-04-19

湖北省高等學校教學研究項目（2012258）；長江大學教學研究項目（JY2016028）

陳海燕（1965-），男，湖北荊州人，教授，博士，從事激光原理與技術研究．E-mail：hychen@yangtzeu.edu.cn