基于真實科研問題的“物理光學”教學改進探究

胡國慶 趙爽 周哲海

摘 要 在新時代人才培養需求的指導下，文章分析了傳統“物理光學”課程教學現狀，研究將知識點與案例結合的項目式教學改進方法，以在研國家和北京市科研項目中凝練的“基于偏振干涉的多波長光纖激光器”這一真實科學問題為例，通過實物演示、模型建立和實驗對比驗證介紹科研方法和思路的同時，講解偏振光產生、調節、瓊斯矩陣和偏振干涉等內容，加強基礎知識學習，培養學生靈活應用基礎知識解決問題的工程實踐能力和創新意識。

關鍵詞 多波長激光；偏振光；瓊斯矩陣；偏振干涉；教學改革

中圖分類號：G424?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：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

基于真實科研問題的教學是一種建構主義理念下以學生為中心的教學方式，即通過完成一項源自真實科研問題且需要深度思考的項目任務，培養包括關鍵基礎知識、高階思維能力、品格和可遷移技能等在內的核心素養[1]。當前，我國積極推動“中國制造2025”，“互聯網+” 創新創業等，以新技術、新業態、新模式、新產業為代表的新經濟蓬勃發展，迫切需要加快當前高校教學改革創新，特別是應用型大學，亟須確立能力導向的教學理念，實施以真實問題為核心的教學，持續推進課程建設[2-3]。以“物理光學”課程為例，在偏振章節中，以偏振干涉在多波長脈沖激光中的應用研究為出發點，從真實科學研究的角度去介紹偏振和偏振干涉相關的概念和應用，歸納總結從基礎知識到科學研究的思路和路徑，在傳授學生基本課程知識的同時，潛移默化培養學生的研究性和創新意識，激發學生的研究興趣，探索一條基于真實科研問題的“物理光學”教學改進方法和路徑。

在研科研課題中，借鑒波分復用概念，已有報道提出基于波長維度復用的多波長脈沖技術，并在測距、測頻和光譜測量等領域獲得驗證，獲得國內外廣泛關注[4]。而要實現多波長脈沖輸出，通?；诟黝悶V波器或者等價濾波器來實現光譜濾波，包括雙折射光譜濾波器、光纖布拉格光柵、Sagnac濾波器、拉錐光纖以及腔內損耗調節等。尤其是北京航空航天大學、天津大學和華東師范大學等國內研究課題組，在相關研究中取得了諸多原創性和開拓性的研究成果。北京航空航天大學Zheng Zheng等人在基于雙折射光譜濾波的多波長脈沖產生取得了突破。天津大學Hu Minglie等提出了基于Sagnac濾波的全保偏雙波長脈沖產生和調控機制等。此外，北京信息科技大學在基于腔內損耗和非線性偏振旋轉混合機制的帶寬可調和可調換單/雙波長脈沖方面作出了一定貢獻。通過國內外研究現狀的介紹，提升學生對國內科研發展的認識，以及學校本身發展的了解和認可。

在課堂教學中，偏振光干涉是偏振章節的一個重要內容，線偏振光經雙折射介質后會產生兩束具有相同頻率和固定相位差的光，經過檢偏器后，在通光軸方向投影的兩個分量將具有相同偏振態，進而產生干涉。通過設計相位延遲差、偏振光旋轉角度和雙折射等參數可實現可調諧的光譜濾波，從而滿足多波長脈沖激光產生和調控的需求。因而，基于偏振干涉的雙折射光譜濾波是成為實現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基金和北京市教委項目研究中與“物理光學”課程相關的“真實科研問題”，即“基于偏振干涉的多波長光纖激光器”，在課堂教學中以“真實問題”為導向，介紹利用課程知識解決前沿研究中真實問題的思路、原理和可行性等，使學生時刻感受到本課程對解決社會問題的重要性，用科學研究的態度學習基礎課程。同時，本文通過國內外研究現狀的介紹，培養學生對國內科研發展的認識，激發愛國意識。

1? 基于偏振干涉的多波長脈沖激光器搭建和實物演示

依托在研國家自然科學基金和北京市教委科研項目，搭建了如圖1（a）所示的多波長鎖模光纖激光器，實物照片如圖1（b）所示，可用于課程教學實物道具，進行起偏器和波片等偏振產生和調節相關器件的實物演示。該激光器增益介質采用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，采用波分復用器、90/10耦合器和偏振相關隔離器集成的三合一器件，在進行泵浦的同時，確保光單向傳輸，并從耦合輸出腔內總功率10%的光。該器件中偏振相關隔離器相當于起偏器，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，實驗采用偏振控制器的三個環分別等價四分之一波片、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，而二分之一波片主要與旋轉角度有關，故可通過三個環來調節入射光旋轉角度和延遲，進而調控腔內偏振干涉效應[5]。

2? 基于偏振干涉的雙折射光譜濾波的數學模型建立

理論模型建立是指導和推動實驗的一項重要步驟，通過建立基于偏振干涉的雙折射光譜濾波的數學模型可指導實驗的操作，解釋實驗原理。盡管一套激光器系統包括泵浦、諧振腔和增益介質三大要素，激光器的設計也聚焦于三大要素的設計，但此處為聚焦偏振相關的模型，僅保留偏振相關的器件，包括環形腔結構，作為雙折射介質的保偏光纖，等價于起偏器的偏振相關隔離器和偏振控制器，并忽略激光器涉及的非線性效應，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節引起的偏振光旋轉角度和相位延遲，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學表示方式，在從偏振控制器、保偏光纖1、起偏器和保偏光纖2的環路中，假設[]和[]為保偏光纖1和保偏光纖2對應的瓊斯矩陣，[]對應起偏器的瓊斯矩陣，[]對應偏振控制器的瓊斯矩陣，[]為初始光對應瓊斯矩陣，此處，假設初始光為沿指定方向的線偏振光，[]為輸出光對應的瓊斯矩陣，基于物理光學課程中的瓊斯矩陣，可獲得如公式（1）所示的傳輸特點公式。

3? 濾波模型和雙波長脈沖產生實驗對比驗證

為驗證濾波模型，設定泵浦功率約為420MW時，調節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，在設定n=3.951，=0.5m，0=1560nm，=0.25 ，=0.0625 時，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波長區間）總體向短波長區域靠近，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，可以認為實驗和仿真計算的濾波結果基本符合，建立的光的傳輸函數可為實驗提供指導。

4? 結語

隨著新經濟和新工科建設方面的力度不斷加大，理論性強的“物理光學”課程作為工科專業的基礎和核心課程，滿足新時代人才培養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基金和北京市教委項目課題中的真實科研問題，以基于偏振干涉的多波長脈沖激光產生和調控為案例，演示了基于偏振干涉的多波長脈沖光纖激光器及相關實物器件，串聯了偏振章節各部分內容，并從科學研究的角度和思路進行研究案例介紹，介紹偏振產生、調節、瓊斯矩陣和偏振干涉等物理光學課程中的偏振光章節相關內容，加強學生對于偏振基礎知識的掌握和運用，鍛煉學生靈活應用基本知識的能力和思維，推動科教融合，提高課堂教學與前沿科學研究之間的聯系。同時，本文在介紹相關課題的國內外發展現狀時，展示了國內科研狀態的發展進程和成果，培養學生的愛國熱情、自豪感和認同感。

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

參考文獻

[1] 王磊.基于學生核心素養的化學學科能力研究[M].北京：北京師范大學出版社，2018.

[2] 孫明燦，徐曉靜，葛愛冬，等.新工科背景下電氣工程學科建設研究[J].高教學刊，2021，7（21）：66-69.

[3] 張文利，王卓崢，司農，陳巍，陳華敏，創新類通識教育課程建設的探索與實踐[J]. 高等工程教育研究.2019（4）： 90-95.

[4] J.Yang，X.Zhao，L.Zhang，et al.Single-cavity dual-comb fiber lasers and their applications[J].Frontiers in Physics，2023（10）：1070284.

[5] L. Zuo，A.Yang，D.W.Zhou，et al.Study on wave plate angles of polarization controller in nonlinear polarization rotation mode-locked fiber laser[J].Acta Physica Sinica，2012（5）：54211.