基于真实科研问题的“物理光学”教学改进探究

胡国庆 赵爽 周哲海

摘 要 在新时代人才培养需求的指导下，文章分析了传统“物理光学”课程教学现状，研究将知识点与案例结合的项目式教学改进方法，以在研国家和北京市科研项目中凝练的“基于偏振干涉的多波长光纤激光器”这一真实科学问题为例，通过实物演示、模型建立和实验对比验证介绍科研方法和思路的同时，讲解偏振光产生、调节、琼斯矩阵和偏振干涉等内容，加强基础知识学习，培养学生灵活应用基础知识解决问题的工程实践能力和创新意识。

关键词 多波长激光；偏振光；琼斯矩阵；偏振干涉；教学改革

中图分类号：G424                           文献标识码：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

基于真实科研问题的教学是一种建构主义理念下以学生为中心的教学方式，即通过完成一项源自真实科研问题且需要深度思考的项目任务，培养包括关键基础知识、高阶思维能力、品格和可迁移技能等在内的核心素养[1]。当前，我国积极推动“中国制造2025”，“互联网+” 创新创业等，以新技术、新业态、新模式、新产业为代表的新经济蓬勃发展，迫切需要加快当前高校教学改革创新，特别是应用型大学，亟须确立能力导向的教学理念，实施以真实问题为核心的教学，持续推进课程建设[2-3]。以“物理光学”课程为例，在偏振章节中，以偏振干涉在多波长脉冲激光中的应用研究为出发点，从真实科学研究的角度去介绍偏振和偏振干涉相关的概念和应用，归纳总结从基础知识到科学研究的思路和路径，在传授学生基本课程知识的同时，潜移默化培养学生的研究性和创新意识，激发学生的研究兴趣，探索一条基于真实科研问题的“物理光学”教学改进方法和路径。

在研科研课题中，借鉴波分复用概念，已有报道提出基于波长维度复用的多波长脉冲技术，并在测距、测频和光谱测量等领域获得验证，获得国内外广泛关注[4]。而要实现多波长脉冲输出，通常基于各类滤波器或者等价滤波器来实现光谱滤波，包括双折射光谱滤波器、光纤布拉格光栅、Sagnac滤波器、拉锥光纤以及腔内损耗调节等。尤其是北京航空航天大学、天津大学和华东师范大学等国内研究课题组，在相关研究中取得了诸多原创性和开拓性的研究成果。北京航空航天大学Zheng Zheng等人在基于双折射光谱滤波的多波长脉冲产生取得了突破。天津大学Hu Minglie等提出了基于Sagnac滤波的全保偏雙波长脉冲产生和调控机制等。此外，北京信息科技大学在基于腔内损耗和非线性偏振旋转混合机制的带宽可调和可调换单/双波长脉冲方面作出了一定贡献。通过国内外研究现状的介绍，提升学生对国内科研发展的认识，以及学校本身发展的了解和认可。

在課堂教学中，偏振光干涉是偏振章节的一个重要内容，线偏振光经双折射介质后会产生两束具有相同频率和固定相位差的光，经过检偏器后，在通光轴方向投影的两个分量将具有相同偏振态，进而产生干涉。通过设计相位延迟差、偏振光旋转角度和双折射等参数可实现可调谐的光谱滤波，从而满足多波长脉冲激光产生和调控的需求。因而，基于偏振干涉的双折射光谱滤波是成为实现多波长脉冲激光器的最为重要的方式之一。

本文通过凝练作者在研的国家自然科学基金和北京市教委项目研究中与“物理光学”课程相关的“真实科研问题”，即“基于偏振干涉的多波长光纤激光器”，在课堂教学中以“真实问题”为导向，介绍利用课程知识解决前沿研究中真实问题的思路、原理和可行性等，使学生时刻感受到本课程对解决社会问题的重要性，用科学研究的态度学习基础课程。同时，本文通过国内外研究现状的介绍，培养学生对国内科研发展的认识，激发爱国意识。

1  基于偏振干涉的多波长脉冲激光器搭建和实物演示

依托在研国家自然科学基金和北京市教委科研项目，搭建了如图1（a）所示的多波长锁模光纤激光器，实物照片如图1（b）所示，可用于课程教学实物道具，进行起偏器和波片等偏振产生和调节相关器件的实物演示。该激光器增益介质采用0.5m长的掺铒光纤，采用波长为976 nm的泵浦二极管作为泵源。同时，采用波分复用器、90/10耦合器和偏振相关隔离器集成的三合一器件，在进行泵浦的同时，确保光单向传输，并从耦合输出腔内总功率10%的光。该器件中偏振相关隔离器相当于起偏器，且该器件尾纤为0.5m长的保偏光纤，可饱和吸收体为单壁碳纳米管。此外，实验采用偏振控制器的三个环分别等价四分之一波片、二分之一波片和四分之一波片，由于四分之一波片与相位延迟有关，而二分之一波片主要与旋转角度有关，故可通过三个环来调节入射光旋转角度和延迟，进而调控腔内偏振干涉效应[5]。

2  基于偏振干涉的双折射光谱滤波的数学模型建立

理论模型建立是指导和推动实验的一项重要步骤，通过建立基于偏振干涉的双折射光谱滤波的数学模型可指导实验的操作，解释实验原理。尽管一套激光器系统包括泵浦、谐振腔和增益介质三大要素，激光器的设计也聚焦于三大要素的设计，但此处为聚焦偏振相关的模型，仅保留偏振相关的器件，包括环形腔结构，作为双折射介质的保偏光纤，等价于起偏器的偏振相关隔离器和偏振控制器，并忽略激光器涉及的非线性效应，建立基于偏振干涉的线性滤波物理模型。其中和是偏振控制器调节引起的偏振光旋转角度和相位延迟，是保偏光纤1和保偏光纤2两端保偏光纤引起的相位延迟，是等价起偏器的线偏振角度。

琼斯矩阵是描述偏振光的一种典型的数学表示方式，在从偏振控制器、保偏光纤1、起偏器和保偏光纤2的环路中，假设[]和[]为保偏光纤1和保偏光纤2对应的琼斯矩阵，[]对应起偏器的琼斯矩阵，[]对应偏振控制器的琼斯矩阵，[]为初始光对应琼斯矩阵，此处，假设初始光为沿指定方向的线偏振光，[]为输出光对应的琼斯矩阵，基于物理光学课程中的琼斯矩阵，可获得如公式（1）所示的传输特点公式。

3  滤波模型和双波长脉冲产生实验对比验证

为验证滤波模型，设定泵浦功率约为420MW时，调节偏振控制器获得双波长脉冲，利用光谱仪（型号为Anrisu MS9710）测得如图2所示光谱，在设定n=3.951，=0.5m，0=1560nm，=0.25 ，=0.0625 时，滤波周期与双波长脉冲的波长间隔接近。由于掺铒光纤增益谱为马鞍状，且图2所示双波长脉冲光谱靠近所采用的掺铒光纤增益谱的边缘，故长波长脉冲光谱（1565nm到1570nm波长区间）总体向短波长区域靠近，偏离理论滤波曲线。此外，激光器中的不同波长处非线性相移等非线性因素同样会引起误差。因而，鉴于短波长脉冲与光谱匹配良好以及铒纤增益谱等误差因素，可以认为实验和仿真计算的滤波结果基本符合，建立的光的传输函数可为实验提供指导。

4  结语

随着新经济和新工科建设方面的力度不断加大，理论性强的“物理光学”课程作为工科专业的基础和核心课程，满足新时代人才培养要求的课程改革势在必行。本文凝练作者在研的国家自然科学基金和北京市教委项目课题中的真实科研问题，以基于偏振干涉的多波长脉冲激光产生和调控为案例，演示了基于偏振干涉的多波长脉冲光纤激光器及相关实物器件，串联了偏振章节各部分内容，并从科学研究的角度和思路进行研究案例介绍，介绍偏振产生、调节、琼斯矩阵和偏振干涉等物理光学课程中的偏振光章节相关内容，加强学生对于偏振基础知识的掌握和运用，锻炼学生灵活应用基本知识的能力和思维，推动科教融合，提高课堂教学与前沿科学研究之间的联系。同时，本文在介绍相关课题的国内外发展现状时，展示了国内科研状态的发展进程和成果，培养学生的爱国热情、自豪感和认同感。

基金项目：2022年度北京信息科技大学高教研究课题项目“教育信息化背景下的《物理光学》教学方法探究”（2022GJYB07）；20221年度北京市教育委员会科学研究计划项目“基于飞秒激光加工MZI光纤微结构的超紧凑全光纤多光梳光源”（KM202211232001）；2021年度国家自然科学基金项目“空气环境下的单腔多色多光梳绝对测距关键技术研究”（62105038）。

参考文献

[1] 王磊.基于学生核心素养的化学学科能力研究[M].北京：北京师范大学出版社，2018.

[2] 孙明灿，徐晓静，葛爱冬，等.新工科背景下电气工程学科建设研究[J].高教学刊，2021，7（21）：66-69.

[3] 张文利，王卓峥，司农，陈巍，陈华敏，创新类通识教育课程建设的探索与实践[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.