冲走小老鼠张祖兴，周夏冰
（南京邮电大学电子与光学工程学院，江苏南京210023）
［摘要］研究性学习可以加深对专业知识中基本概念和原理的理解和掌握，培养学生综合应用所学专业知识分析问题和解决问题的能力。以“激光原理”中光纤激光器为主题的实验研究性学习专题设计为例，通过对专题的研究性学习，学生能深刻理解激光器的基本组成、激光产生和形成的基本原理、光和物质相互作用的基本物理过程中自发辐射和受激辐射的本质区别和关系。此研究性学习方法很容易推广到其他专题，对光电信息专业课中开展研究性学习具有指导价值。 ［关键词］研究性教学；激光原理；光纤激光
［基金项目］2019年度南京邮电大学教改项目“在光电信息专业课中开展研究性学习的实践探索”（JG10619JX76）
［作者简介］张祖兴（1975—），男，江西吉安人，博士，南京邮电大学电子与光学工程学院教授，光纤通信研究所所长，主要从事光纤激光、光纤通信等方面研究。
［中图分类号］G642.0［文献标识码］A［文章编号］1674-9324（2021）12-0069-04［收稿日期］2020-06-16
一、引言
专业课的研究性学习是在教师指导下的自主学习方式和研究活动，既有别于教学过程之外的自主研究或自主学习，又有别于科学家的研究，主要目的是加深对专业知识中基本概念和原理的理解和掌握，并能综合应用所学专业知识分析问题和解决问题[１，２]。在光电信息专业课中开展研究性学习，主要结合本专业的特点探索以下几个的问题：一是基础知识的“教”与研究性学习的“学”之间在时间上的合理分配。二是研究性学习中研究专题的设置。研究专题的设置既要体现本课程的特点，又体现该课程与其他课程的联系，学生在进行专题的研究中既能学到知识，又能体会到技术的渐进完善过程，还原原来的科学思维活动，达到传之以法，授之工具的目的。三是从“问题”出发对传统的课程教学结构进行改造。现代某一光电信息专题的解决显然不可能通过一门课程的学习能够解决，因此有必要将以解决“实际问题”为目的而分散在各门课程的知识点提取并科学地重组[３-６]。
二、以“激光原理”研究性学习专题设计为例
“激光原理”是光电信息科学与工程及相关专业核心课程，是从事与光学和光电子领域科学研究和技术开发必须掌握的基础内容。激光是20世纪人类最重大的科技成就之一。自从1960年梅曼首次获得激光
输出以来，激光作为一种优势众多的先进光源获得了广泛而深入的研究与应用，并对人类生产与生活产生了深刻的影响。光纤激光器具有寿命长、模式好、体积小等一系列其他激光器无法比拟的优点，近年来受到来自电子信息、工业加工等研究开发领域的高度关注。但在实际教学中发现，虽然学生经过激光原理的学习，但对于激光器如何工作仍存在原理不清和认识不深等问题。为了让学生更好地理解激光器与激光技术的专业知识，了解如今激光相关技术的发展情况，我们设计了以光纤激光器为主题的实验研究性学习专题。通过对专题的研究性学习，学生能深刻理解激光器的基本组成、激光产生和形成的基本原理、光和物质相互作用的基本物理过程中自发辐射和受激辐射的本质区别和关系。
（一）光纤激光器的基本组成
我不是宋承宪歌词光纤激光器主要由泵浦源、谐振腔和增益光纤组成。泵浦源就是使激光工作介质达到粒子数反转的激励源。粒子从基态跃迁到高能级称为泵浦过程。泵浦方式主要有电泵浦、化学泵浦、光泵浦、气动泵浦。其中，最常见的是光泵浦和电泵浦，气体激光器常采用电泵浦方式作为激励源，光泵浦方式则是用一束光照射工作物质，使工作物质
中粒子吸收光子能量而被激励到高能级上，广泛应用于固体和液体激光器。谐振腔是光纤激光器的重要组成部分，主要作用是提供正反馈，限制光束的方向和频率、控制输出功率和能量等。通过改变谐振腔腔长进而改变谐振腔损耗与增益的比值，可以获得不同功率的激光输出。谐振腔主要分为F-P腔
、环形腔以及“8”字形腔等。增益光纤采用的是掺稀土元素的掺杂光纤，常见的掺杂离子有Nd3+、Yb3+、Er3+、Tm3+等。其中，掺Er3+石英光纤激光波长恰好处于光纤通信最佳“窗口”，目前应用最为广泛。而掺Yb3+光纤研制的光纤激光器具有较高的光转换效率，Yb3+离子具有较宽的吸收带和激发带，可在1um波段得到高功率的激光输出，目前发展也很迅速。
（二）掺Yb3+光纤激光器的实验研究
掺镱光纤激光器具有极高的量子效率，近年来也成了研究的热点，本实验的开展利于让学生了解激光器的发展状况，使学生充分认识到该激光器的重要性，提高学习积极性。实验中采用的增益光纤是掺Yb3+光纤（YDF），当980nm泵浦源发出泵浦光通过增益光纤时，YDF中Yb3+吸收光，从基态跃迁到高能级，无辐射跃迁到亚稳态能级且不断积累，形成粒子数反转，高能级会产生受激辐射，当增益大于腔内损耗时可形成稳定输出。实验装置如图1所示。其中光隔离器（ISO）实现激光在环形腔中单向传播；波分复用器（WDM），将980nm的泵浦光耦合进环形腔内；YDF为增益光纤；光子晶体光纤（PCF）用于散补偿；光纤耦合器（OC）比为10/90，10％端接跳线后可连接功率计或光谱仪；跳线连接处便于断开和连接环形腔，观察输出功率和光谱特性。耦合器、隔离器、波分复用器等光学器件存在不可忽略的损耗，仅当掺镱光纤的增益大于腔内损耗时才可形成激光。
岳西论坛断开跳线连接处，此时不构成环形腔，从输出端可观察到如图2所示的较宽的光谱，这是放大了的自
发辐射（ASE）。泵浦光经过增益光纤后产生ASE输出，从断点处及10%输出端测到输出功率随泵浦功率的变化情况。如图3所示，可以看到泵浦在约125mA之前，信号光输出功率较低，在经过这个点后，信号光开始随泵浦光稳定线性地增加。
连接断点处构成环形腔，此时构成了一个环形掺镱光纤激光器。泵浦功率较低时观察到的也是形如图2的较宽的输出光谱，峰值位于约1030nm的位置，这是因为泵浦光功率还没有达到激光产生阈值，即激光增益介质导致的增益小于激光腔损耗，受激辐射和自发辐射相比，自发辐射还占优。当增加泵浦功率增大达到阈值后，从10%输出端可观察到如图4所示输出光谱，其中心波长约1037.8nm，此时激光腔内增益大于损耗且受激辐射占主要地位，调节环形腔内的偏振控制器，可
以观察到掺Yb3+光纤激光器的中心波长的峰值在小范围内波动，继续增加泵浦电流，激光输出功率随之线性增加，如图5所示。
（三）理论分析
光纤放大器与激光器实质性区别在于有无反馈环路，即有无谐振腔结构。实验中断开跳线处时相当于光纤放大器，由于不存在反馈环路，在腔内不会形成振荡。泵浦光将大部分处于基态的掺杂离子抽运到激发态，处于激发态的离子又迅速无辐射跃迁到亚稳态，亚稳态与基态之间形成粒子数反转。当信号光子通过增益光纤时，与处于亚稳态的离子相互作用发生受激辐射，产生
图1
实验装置图
图2ASE
输出光谱图
大量与自身完全相同的光子，实现信号放大。掺杂离子处于亚稳态时，除了发生受激辐射和受激吸收以外，
还会通过自发辐射发出与信号光不相干的光子，
象征图形这些光子也会被放大，这种放大的自发辐射（Amplified Spontaneous Emission，ASE ）同样会消耗泵浦光，在实验中我们可以观察到输出较宽的光谱。另外，输出功率之所以会出现经过某辩证法随谈
个值后线性增加，是因为当泵浦光功率较低时，反转粒子数较少，不能达到该波段的出光要求，因而信号光的吸收大于增益，输出功率较低。当泵浦光大于该波段出光的临界状态后，信号光随泵浦光功率的提升开始线性增加。
光纤放大器通过加上恰当的反馈机制可形成激光器，在本实验中将跳线处连接可形成环形腔，
图3a
断开点处输出功率与泵浦功率关系图4激光光谱图图5激光器10%
输出端功率与泵浦功率关系
即构成掺镱光纤激光器。当谐振腔内的增益高于损耗时，通过激光连续振荡产生激光信号输出。激光发射是一种在比例上受激辐射远远超过自发辐射的物理过程，为了使这一过程持续发生，必须达到粒子数反转，所以激光发射的过程有明显的阈值，当泵浦低于阈值时以自发辐射为主，不会出现激光。当泵浦光功率较低时，大部分的信号种子光功率可能会被吸收而转换为ASE功率，不能使增益光纤中的粒子数反转达到976nm激光输出所需
的50%，因而信号光的吸收大于发射，但此时的粒子数反转已达到准四能级系统的1030nm波段ASE的出光条件。随着泵浦功率的增加，受激辐射占主要地位，产生激光并输出。
三、结论墙上画大饼
在研究性学习过程中，通过搭建光纤激光器和放大器，观察输出光谱波形随泵浦功率的变化情况，可以更直观地理解光纤激光器和光纤放大器的区别。从工作原理上分析实验结果，
不仅可以图3b 10%输出端功率与泵浦功率关系
Practical Exploration of Research-based Learning in the Course of Laser Principle
ZHANG Zu-xing,ZHOU Xia-bing
(School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Posts and
Telecommunications,Nanjing,Jiangsu 210023,China)
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
加深学生对受激辐射和自发辐射的认识，进一步理解激光器和放大器的异同，还可以培养学生的学习兴趣，增强分析、解决科研工作中实际问题的能力。
虽然激光器种类繁多，但其原理是相通的，学生经过实际激光器调节训练，触类旁通，能够迅速进入到激光的实际研究中去，对其专业学术水平和技术操作能力的提高大有裨益。通过光纤激光器实验操作以及利用Origin软件分析获取的信息，增强学生运用科研软件分析数据和作图的能力，同时也加深了学生对知识的理解，培养了学生的创新意识和科学素养。激光器实验研究要求学生具有理论联系实际和实事求是的科学作风，严肃认真的工作态度，主动研究的探索精神，对实验素
养的培养极具积极作用。
参考文献
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