基于真實(shí)科研問題的“物理光學(xué)”教學(xué)改進(jìn)探究

胡國慶 趙爽 周哲海

摘 要 在新時(shí)代人才培養(yǎng)需求的指導(dǎo)下，文章分析了傳統(tǒng)“物理光學(xué)”課程教學(xué)現(xiàn)狀，研究將知識點(diǎn)與案例結(jié)合的項(xiàng)目式教學(xué)改進(jìn)方法，以在研國家和北京市科研項(xiàng)目中凝練的“基于偏振干涉的多波長光纖激光器”這一真實(shí)科學(xué)問題為例，通過實(shí)物演示、模型建立和實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證介紹科研方法和思路的同時(shí)，講解偏振光產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、瓊斯矩陣和偏振干涉等內(nèi)容，加強(qiáng)基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生靈活應(yīng)用基礎(chǔ)知識解決問題的工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。

關(guān)鍵詞 多波長激光；偏振光；瓊斯矩陣；偏振干涉；教學(xué)改革

中圖分類號：G424?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2024.9.034

Research on the Teaching Improvement of Physical Optics Based on

Real Scientific Research Issues

——A case study of "Multi-wavelength Fiber Lasers Based on Polarization Interference"

HU Guoqing， ZHAO Shuang， ZHOU Zhehai

（School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100192）

Abstract Under the guidance of talent cultivation in the new era， the teaching status of traditional "Physical Optics" is analyzed， and the improvement method of project-based-learning based on the combination of knowledge points and cases is studied. The real scientific issue of "multi-wavelength fiber laser based on polarization interference"， which is summarized from the national and Beijing research projects， is selected as an example. The method and thought of scientific research is introduced by physical show， model establishment， and experimental comparison and verification. Meanwhile， the contents such as the generation and adjustment of polarization light， Jones matrix and polarization interference are also introduced. Therefore， the understanding of basic knowledge is strengthened. Besides， students' engineering practice ability and innovation consciousness based on flexibly utilizing basic knowledge to solve problems are exercised.

Keywords multi-wavelength laser; polarized light; Jones matrix; polarization interference; teaching reform

基于真實(shí)科研問題的教學(xué)是一種建構(gòu)主義理念下以學(xué)生為中心的教學(xué)方式，即通過完成一項(xiàng)源自真實(shí)科研問題且需要深度思考的項(xiàng)目任務(wù)，培養(yǎng)包括關(guān)鍵基礎(chǔ)知識、高階思維能力、品格和可遷移技能等在內(nèi)的核心素養(yǎng)[1]。當(dāng)前，我國積極推動“中國制造2025”，“互聯(lián)網(wǎng)+” 創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)等，以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)為代表的新經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展，迫切需要加快當(dāng)前高校教學(xué)改革創(chuàng)新，特別是應(yīng)用型大學(xué)，亟須確立能力導(dǎo)向的教學(xué)理念，實(shí)施以真實(shí)問題為核心的教學(xué)，持續(xù)推進(jìn)課程建設(shè)[2-3]。以“物理光學(xué)”課程為例，在偏振章節(jié)中，以偏振干涉在多波長脈沖激光中的應(yīng)用研究為出發(fā)點(diǎn)，從真實(shí)科學(xué)研究的角度去介紹偏振和偏振干涉相關(guān)的概念和應(yīng)用，歸納總結(jié)從基礎(chǔ)知識到科學(xué)研究的思路和路徑，在傳授學(xué)生基本課程知識的同時(shí)，潛移默化培養(yǎng)學(xué)生的研究性和創(chuàng)新意識，激發(fā)學(xué)生的研究興趣，探索一條基于真實(shí)科研問題的“物理光學(xué)”教學(xué)改進(jìn)方法和路徑。

在研科研課題中，借鑒波分復(fù)用概念，已有報(bào)道提出基于波長維度復(fù)用的多波長脈沖技術(shù)，并在測距、測頻和光譜測量等領(lǐng)域獲得驗(yàn)證，獲得國內(nèi)外廣泛關(guān)注[4]。而要實(shí)現(xiàn)多波長脈沖輸出，通?；诟黝悶V波器或者等價(jià)濾波器來實(shí)現(xiàn)光譜濾波，包括雙折射光譜濾波器、光纖布拉格光柵、Sagnac濾波器、拉錐光纖以及腔內(nèi)損耗調(diào)節(jié)等。尤其是北京航空航天大學(xué)、天津大學(xué)和華東師范大學(xué)等國內(nèi)研究課題組，在相關(guān)研究中取得了諸多原創(chuàng)性和開拓性的研究成果。北京航空航天大學(xué)Zheng Zheng等人在基于雙折射光譜濾波的多波長脈沖產(chǎn)生取得了突破。天津大學(xué)Hu Minglie等提出了基于Sagnac濾波的全保偏雙波長脈沖產(chǎn)生和調(diào)控機(jī)制等。此外，北京信息科技大學(xué)在基于腔內(nèi)損耗和非線性偏振旋轉(zhuǎn)混合機(jī)制的帶寬可調(diào)和可調(diào)換單/雙波長脈沖方面作出了一定貢獻(xiàn)。通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的介紹，提升學(xué)生對國內(nèi)科研發(fā)展的認(rèn)識，以及學(xué)校本身發(fā)展的了解和認(rèn)可。

在課堂教學(xué)中，偏振光干涉是偏振章節(jié)的一個(gè)重要內(nèi)容，線偏振光經(jīng)雙折射介質(zhì)后會產(chǎn)生兩束具有相同頻率和固定相位差的光，經(jīng)過檢偏器后，在通光軸方向投影的兩個(gè)分量將具有相同偏振態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生干涉。通過設(shè)計(jì)相位延遲差、偏振光旋轉(zhuǎn)角度和雙折射等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)可調(diào)諧的光譜濾波，從而滿足多波長脈沖激光產(chǎn)生和調(diào)控的需求。因而，基于偏振干涉的雙折射光譜濾波是成為實(shí)現(xiàn)多波長脈沖激光器的最為重要的方式之一。

本文通過凝練作者在研的國家自然科學(xué)基金和北京市教委項(xiàng)目研究中與“物理光學(xué)”課程相關(guān)的“真實(shí)科研問題”，即“基于偏振干涉的多波長光纖激光器”，在課堂教學(xué)中以“真實(shí)問題”為導(dǎo)向，介紹利用課程知識解決前沿研究中真實(shí)問題的思路、原理和可行性等，使學(xué)生時(shí)刻感受到本課程對解決社會問題的重要性，用科學(xué)研究的態(tài)度學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課程。同時(shí)，本文通過國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的介紹，培養(yǎng)學(xué)生對國內(nèi)科研發(fā)展的認(rèn)識，激發(fā)愛國意識。

1? 基于偏振干涉的多波長脈沖激光器搭建和實(shí)物演示

依托在研國家自然科學(xué)基金和北京市教委科研項(xiàng)目，搭建了如圖1（a）所示的多波長鎖模光纖激光器，實(shí)物照片如圖1（b）所示，可用于課程教學(xué)實(shí)物道具，進(jìn)行起偏器和波片等偏振產(chǎn)生和調(diào)節(jié)相關(guān)器件的實(shí)物演示。該激光器增益介質(zhì)采用0.5m長的摻鉺光纖，采用波長為976 nm的泵浦二極管作為泵源。同時(shí)，采用波分復(fù)用器、90/10耦合器和偏振相關(guān)隔離器集成的三合一器件，在進(jìn)行泵浦的同時(shí)，確保光單向傳輸，并從耦合輸出腔內(nèi)總功率10%的光。該器件中偏振相關(guān)隔離器相當(dāng)于起偏器，且該器件尾纖為0.5m長的保偏光纖，可飽和吸收體為單壁碳納米管。此外，實(shí)驗(yàn)采用偏振控制器的三個(gè)環(huán)分別等價(jià)四分之一波片、二分之一波片和四分之一波片，由于四分之一波片與相位延遲有關(guān)，而二分之一波片主要與旋轉(zhuǎn)角度有關(guān)，故可通過三個(gè)環(huán)來調(diào)節(jié)入射光旋轉(zhuǎn)角度和延遲，進(jìn)而調(diào)控腔內(nèi)偏振干涉效應(yīng)[5]。

2? 基于偏振干涉的雙折射光譜濾波的數(shù)學(xué)模型建立

理論模型建立是指導(dǎo)和推動實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)重要步驟，通過建立基于偏振干涉的雙折射光譜濾波的數(shù)學(xué)模型可指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的操作，解釋實(shí)驗(yàn)原理。盡管一套激光器系統(tǒng)包括泵浦、諧振腔和增益介質(zhì)三大要素，激光器的設(shè)計(jì)也聚焦于三大要素的設(shè)計(jì)，但此處為聚焦偏振相關(guān)的模型，僅保留偏振相關(guān)的器件，包括環(huán)形腔結(jié)構(gòu)，作為雙折射介質(zhì)的保偏光纖，等價(jià)于起偏器的偏振相關(guān)隔離器和偏振控制器，并忽略激光器涉及的非線性效應(yīng)，建立基于偏振干涉的線性濾波物理模型。其中和是偏振控制器調(diào)節(jié)引起的偏振光旋轉(zhuǎn)角度和相位延遲，是保偏光纖1和保偏光纖2兩端保偏光纖引起的相位延遲，是等價(jià)起偏器的線偏振角度。

瓊斯矩陣是描述偏振光的一種典型的數(shù)學(xué)表示方式，在從偏振控制器、保偏光纖1、起偏器和保偏光纖2的環(huán)路中，假設(shè)[]和[]為保偏光纖1和保偏光纖2對應(yīng)的瓊斯矩陣，[]對應(yīng)起偏器的瓊斯矩陣，[]對應(yīng)偏振控制器的瓊斯矩陣，[]為初始光對應(yīng)瓊斯矩陣，此處，假設(shè)初始光為沿指定方向的線偏振光，[]為輸出光對應(yīng)的瓊斯矩陣，基于物理光學(xué)課程中的瓊斯矩陣，可獲得如公式（1）所示的傳輸特點(diǎn)公式。

3? 濾波模型和雙波長脈沖產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)對比驗(yàn)證

為驗(yàn)證濾波模型，設(shè)定泵浦功率約為420MW時(shí)，調(diào)節(jié)偏振控制器獲得雙波長脈沖，利用光譜儀（型號為Anrisu MS9710）測得如圖2所示光譜，在設(shè)定n=3.951，=0.5m，0=1560nm，=0.25 ，=0.0625 時(shí)，濾波周期與雙波長脈沖的波長間隔接近。由于摻鉺光纖增益譜為馬鞍狀，且圖2所示雙波長脈沖光譜靠近所采用的摻鉺光纖增益譜的邊緣，故長波長脈沖光譜（1565nm到1570nm波長區(qū)間）總體向短波長區(qū)域靠近，偏離理論濾波曲線。此外，激光器中的不同波長處非線性相移等非線性因素同樣會引起誤差。因而，鑒于短波長脈沖與光譜匹配良好以及鉺纖增益譜等誤差因素，可以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)和仿真計(jì)算的濾波結(jié)果基本符合，建立的光的傳輸函數(shù)可為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)。

4? 結(jié)語

隨著新經(jīng)濟(jì)和新工科建設(shè)方面的力度不斷加大，理論性強(qiáng)的“物理光學(xué)”課程作為工科專業(yè)的基礎(chǔ)和核心課程，滿足新時(shí)代人才培養(yǎng)要求的課程改革勢在必行。本文凝練作者在研的國家自然科學(xué)基金和北京市教委項(xiàng)目課題中的真實(shí)科研問題，以基于偏振干涉的多波長脈沖激光產(chǎn)生和調(diào)控為案例，演示了基于偏振干涉的多波長脈沖光纖激光器及相關(guān)實(shí)物器件，串聯(lián)了偏振章節(jié)各部分內(nèi)容，并從科學(xué)研究的角度和思路進(jìn)行研究案例介紹，介紹偏振產(chǎn)生、調(diào)節(jié)、瓊斯矩陣和偏振干涉等物理光學(xué)課程中的偏振光章節(jié)相關(guān)內(nèi)容，加強(qiáng)學(xué)生對于偏振基礎(chǔ)知識的掌握和運(yùn)用，鍛煉學(xué)生靈活應(yīng)用基本知識的能力和思維，推動科教融合，提高課堂教學(xué)與前沿科學(xué)研究之間的聯(lián)系。同時(shí)，本文在介紹相關(guān)課題的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀時(shí)，展示了國內(nèi)科研狀態(tài)的發(fā)展進(jìn)程和成果，培養(yǎng)學(xué)生的愛國熱情、自豪感和認(rèn)同感。

基金項(xiàng)目：2022年度北京信息科技大學(xué)高教研究課題項(xiàng)目“教育信息化背景下的《物理光學(xué)》教學(xué)方法探究”（2022GJYB07）；20221年度北京市教育委員會科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目“基于飛秒激光加工MZI光纖微結(jié)構(gòu)的超緊湊全光纖多光梳光源”（KM202211232001）；2021年度國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“空氣環(huán)境下的單腔多色多光梳絕對測距關(guān)鍵技術(shù)研究”（62105038）。

參考文獻(xiàn)

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