鄧 莉，周科衛(wèi),1b，呂釬釬,1b，黃婉慧,1b，張漢中,1b，魏鸞儀,1b，楊 旭

(1.華東師范大學(xué) a.物理與材料科學(xué)學(xué)院; b.孟憲承書院，上海 200241;2.安徽省科大奧瑞科技有限公司，安徽 合肥 230089)

隨著近年信息科學(xué)的快速發(fā)展，高校教育領(lǐng)域提出了結(jié)合科學(xué)技術(shù)發(fā)展，創(chuàng)新教學(xué)模式的要求，各種虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)陸續(xù)出現(xiàn)、發(fā)展并得到運(yùn)用. 其中，在大學(xué)物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，也有很多仿真軟件，但大都局限于普通物理實(shí)驗(yàn)，而專業(yè)性較強(qiáng)的激光光譜學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真軟件，目前還沒有. 在這種情況下，華東師范大學(xué)采用校企研發(fā)的方式，研發(fā)了超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)不僅能完成超快光場(chǎng)、激光光譜學(xué)的相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且結(jié)合一些主流的教育教學(xué)原理，在完成實(shí)驗(yàn)仿真的基礎(chǔ)上，通過補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)器材內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖、創(chuàng)建實(shí)驗(yàn)教學(xué)網(wǎng)站、錄制仿真實(shí)驗(yàn)演示視頻等方式，搭建了較為完善的超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái). 在此平臺(tái)上，學(xué)生可以了解激光器原理及操作、激光時(shí)頻域及空間強(qiáng)度分布測(cè)量、超快激光脈沖測(cè)量物質(zhì)超快動(dòng)力學(xué)特性、物質(zhì)高分辨率光譜測(cè)量等. 它既可以用于輔助諸如“激光原理”、“光譜測(cè)量技術(shù)”等理論課程的教學(xué)，也可以做實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)習(xí)內(nèi)容或補(bǔ)充內(nèi)容.

1 光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器庫的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該平臺(tái)首先對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)所需儀器進(jìn)行虛擬模型的設(shè)計(jì)，包括激光光源、光學(xué)元件、儀器設(shè)備等. 并通過程序編寫實(shí)現(xiàn)了這些虛擬模型的功能，使用者可在操作界面調(diào)用儀器元件，進(jìn)行光路搭建，觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 平臺(tái)包含的儀器類別多、用途廣、功能全面，是一個(gè)較完整的儀器庫.

1.1 激光光源

該虛擬仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)了3種激光光源，分別為連續(xù)532 nm激光器、鎖模鈦寶石激光器和染料激光器，如圖1所示. 連續(xù)532 nm激光器可做實(shí)驗(yàn)光源，也可以做鎖模鈦寶石激光器的泵浦光源，還可以改變?nèi)玖霞す馄髦械牟牧汐@得不同頻率的光源，以滿足實(shí)驗(yàn)光源需求. 同時(shí)在平臺(tái)上，學(xué)生還能觀察激光器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示，可以幫助學(xué)生更好地理解激光器的工作原理，加深理論知識(shí)的理解.

(a)連續(xù)532 nm激光器及其調(diào)節(jié)窗口

(b)鎖模鈦寶石激光器及其調(diào)節(jié)窗口

(c) 染料激光器及其調(diào)節(jié)窗口圖1 激光光源

(a)連續(xù)532 nm激光器

(b)鎖模鈦寶石激光器

(c) 染料激光器圖2 激光光源原理圖

1.2 光學(xué)元件

平臺(tái)提供了大量的光學(xué)元件，除了常規(guī)的透鏡、反射鏡、分光鏡之外，還提供了帶通濾光片、連續(xù)可調(diào)衰減片、偏振片、1/4波片等元件，以滿足各種光路的元件需求.

帶通濾光片是允許某頻段的光通過，而濾掉其它頻段的光波的元件，在實(shí)驗(yàn)中，需要根據(jù)波長選擇帶通濾光片，平臺(tái)提供8個(gè)波段的帶通濾光片，通帶頻段分布在400～850 nm范圍間. 實(shí)驗(yàn)中可以調(diào)節(jié)帶通濾光片對(duì)光強(qiáng)值的反射和折射的比值. 儀器中的透射系數(shù)=反射功率：折射功率，如圖3(a)所示.

(a)帶通濾波片

(b) 連續(xù)可調(diào)衰減片圖3 光學(xué)元件

連續(xù)可調(diào)衰減片利用將吸收某個(gè)波長光的介質(zhì)膜鍍?cè)诓Ａ?，通過介質(zhì)膜對(duì)光的吸收，達(dá)到透過光功率的減弱的目的. 連續(xù)可調(diào)衰減片是連續(xù)改變介質(zhì)膜的厚度達(dá)到連續(xù)改變透過光的功率，實(shí)現(xiàn)透過光從100%衰減至0%的功能. 如圖3(b)所示,實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)衰減片的角度來改變光束處介質(zhì)膜厚度，從而改變光透過率.

1.3 檢測(cè)器件

對(duì)于數(shù)據(jù)的采集及處理，平臺(tái)也設(shè)計(jì)了豐富的光檢測(cè)器件模型，用于顯示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，提取、處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如光纖探頭、光纖光譜儀、光纖單色儀、硅探測(cè)器、光電探測(cè)器、示波器以及處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)等.

如功率計(jì)，可以檢測(cè)激光光束的功率. 利用功率計(jì)檢測(cè)鎖模鈦寶石激光器出射光束功率的實(shí)驗(yàn)光路圖及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，使用連續(xù)532 nm激光器出射光，經(jīng)反射鏡反射后入射至做鈦寶石激光器，作為其泵浦光，產(chǎn)生超短脈沖激光，利用硅探測(cè)器接收激光，將信號(hào)傳遞給功率計(jì)，當(dāng)連續(xù)532 nm激光器的功率為5 W時(shí)，測(cè)得超短脈沖激光光功率為225 mW.

(a)功率測(cè)量光路圖

(b) 功率計(jì)讀數(shù)圖4 鎖模鈦寶石激光器出射光光功率測(cè)量圖

利用光纖探頭、光纖光譜儀以及計(jì)算機(jī)可以測(cè)量激光的頻譜圖. 鎖模鈦寶石激光器出射激光的光譜圖測(cè)量光路以及其光譜圖如圖5所示，將光纖探頭放置在激光光束上，連接光纖光譜儀，再將信號(hào)傳遞給計(jì)算機(jī)模型，在計(jì)算機(jī)上可以觀察到激光的頻譜圖，從圖中可以看出，鎖模鈦寶石激光器的中心波長為800 nm，頻譜寬度為100 nm.

(a)激光頻譜圖測(cè)量光路

(b) 激光頻譜圖圖5 鎖模鈦寶石激光器出射光頻譜測(cè)量圖

2 相關(guān)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

運(yùn)用儀器庫中的光源、元件以及檢測(cè)設(shè)備，可以搭建完整的實(shí)驗(yàn)光路，模擬激光光學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，并能觀察現(xiàn)象，測(cè)量數(shù)據(jù).

2.1 高斯光束的觀察測(cè)量實(shí)驗(yàn)

激光器出射的激光光束，其光強(qiáng)在空間上呈高斯分布，實(shí)驗(yàn)中可通過平面CCD陣列探測(cè)激光光束的空間分布，并在計(jì)算機(jī)上顯示出來. 在該虛擬平臺(tái)中，打開連續(xù)532 nm激光器，利用一個(gè)凸透鏡，一個(gè)凹透鏡將其出射光束收束，便于測(cè)量. 然后在光路上放置一平面CCD陣列，并連接到虛擬計(jì)算機(jī)上，打開計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件，可觀察到光束的強(qiáng)度分布，如圖6所示. 光斑光強(qiáng)從內(nèi)到外逐漸減弱，其空間光強(qiáng)值呈高斯分布.

圖6 高斯光束觀測(cè)圖

2.2 自相關(guān)實(shí)驗(yàn)

脈沖強(qiáng)度自相關(guān)法是測(cè)量光脈沖寬度的典型技術(shù). 在該平臺(tái)中，可搭建如圖7所示光路圖，測(cè)量由自鎖模鈦寶石激光器產(chǎn)生的脈沖光寬度. 該激光光束經(jīng)分束片分成2束，2光束偏振方向相互平行. 2束光分別經(jīng)過固定光路與可變光學(xué)延遲線后非共線地聚焦到樣品上. 圖中的一維納米平移臺(tái)，如圖8所示，就是可變延遲線，它的移動(dòng)由計(jì)算機(jī)控制；BBO是倍頻光學(xué)晶體，當(dāng)2束激光的脈沖在BBO晶體內(nèi)時(shí)間域完全重合時(shí)，可以產(chǎn)生自相關(guān)信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)由光電探測(cè)器接收，斬波器放置在其中一束光的光路上，斬波頻率輸入到鎖相放大器作為參考頻率，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)過相放大器放大后，輸入至計(jì)算機(jī)，通過移動(dòng)一維納米平移臺(tái)獲得激光脈沖的自相關(guān)實(shí)驗(yàn)信號(hào)，利用數(shù)據(jù)擬合得到激光脈沖的時(shí)域?qū)挾? 信號(hào)如圖9所示.

圖7 自相關(guān)實(shí)驗(yàn)光路圖

圖8 一維納米平移臺(tái)

圖9 自相關(guān)信號(hào)圖

2.3 泵浦探測(cè)實(shí)驗(yàn)

泵浦-探測(cè)技術(shù)是研究半導(dǎo)體中光生載流子超快過程的主要手段. 在該平臺(tái)上，也能搭建如圖10的光路，測(cè)量樣品的超快過程泵浦—探測(cè)信號(hào). 飛秒激光脈沖由自鎖模鈦寶石激光器產(chǎn)生，經(jīng)分束鏡分成2束，分別作為泵浦和探測(cè)脈沖，偏振方向相互平行，光強(qiáng)比為5：1. 2束光分別經(jīng)固定與可變光學(xué)延遲線后非共線地聚焦到樣品上. 2束光分別經(jīng)過固定光路與可變光學(xué)延遲線后非共線地聚焦到樣品上. 當(dāng)2束激光的脈沖在樣品上時(shí)間域完全重合時(shí)，泵浦探測(cè)信號(hào)，探測(cè)光經(jīng)由光電探測(cè)器接收，斬波器放置在光強(qiáng)較強(qiáng)的泵浦光的光路上，斬波頻率輸入到鎖相放大器作為參考頻率，光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此電信號(hào)經(jīng)過相放大器放大后，輸入至計(jì)算機(jī)，通過移動(dòng)一維納米平移臺(tái)運(yùn)動(dòng)改變兩脈沖的延遲時(shí)間獲得樣品的泵浦探測(cè)信號(hào)，如圖11所示.

圖10 泵浦-探測(cè)實(shí)驗(yàn)光路圖

圖11 泵浦-探測(cè)信號(hào)圖

2.4 無多普勒展寬飽和吸收光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上搭建強(qiáng)度調(diào)制飽和吸收光譜的測(cè)量光路，如圖12所示，通過計(jì)算機(jī)控制染料激光器內(nèi)部的光柵，調(diào)諧輸出激光波長，獲得Ne原子氣體樣品的無多普勒展寬的光譜如圖13所示，與多普勒展寬的熒光和激發(fā)光譜相比，很多精細(xì)結(jié)構(gòu)都顯現(xiàn)出來，由此反應(yīng)出無多普勒展寬飽和吸收光譜的高分辨率.

圖12 無多普勒展寬飽和吸收光譜測(cè)量實(shí)驗(yàn)光路圖

圖13 Ne原子氣體樣品的無多普勒展寬的光譜

3 自主化操作與講義式網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

3.1 自主化操作設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)程序只提供實(shí)驗(yàn)操作平面和所需器材，使用者需要根據(jù)所需完成的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，通過老師教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的方式，在了解實(shí)驗(yàn)原理和方案的情況下，自行搭建光路，調(diào)整儀器狀態(tài)參量，對(duì)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè).

這種不存在任何建好的模型，完全自主化的操作設(shè)計(jì)，很大程度上還原了實(shí)際的實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境. 在實(shí)驗(yàn)操作的自主化方面，甚至超越了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué).

在現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，特別是激光實(shí)驗(yàn)，一些光路的精準(zhǔn)度要求很高，很多實(shí)驗(yàn)室在學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作之前，就已經(jīng)由老師搭建好了光路，調(diào)節(jié)了各元件位置及參量. 學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，只需要打開電源，按照講義改變實(shí)驗(yàn)條件，對(duì)現(xiàn)象進(jìn)行觀察測(cè)量，實(shí)驗(yàn)便完成了.

這種傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，雖然提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的完成率，但學(xué)生的自主操作內(nèi)容大大減少，其中包括激光起振、光路準(zhǔn)直、光束的聚焦與擴(kuò)束等基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技能. 而且當(dāng)缺失的這一部分操作內(nèi)容涉及到實(shí)驗(yàn)原理時(shí)，如果老師不做額外講解和提醒，則缺失部分會(huì)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)的理解和后續(xù)操作產(chǎn)生影響.

在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)習(xí)材料(如已知條件，實(shí)驗(yàn)儀器)和學(xué)習(xí)結(jié)果(如某一結(jié)論或公式)之間是有一個(gè)邏輯加工過程的，這個(gè)過程就是利用以前有的知識(shí)結(jié)構(gòu)，對(duì)現(xiàn)有信息進(jìn)行加工，通過邏輯推理或論證，得出結(jié)論，若該結(jié)論得到認(rèn)可，則會(huì)整合到已有的知識(shí)結(jié)構(gòu)中去，這就是學(xué)習(xí)成果. 因此，學(xué)習(xí)結(jié)果是由每一個(gè)必不可少的信息綜合起來，通過嚴(yán)密的邏輯加工所獲得的. 如果缺少了其中某一個(gè)信息，則整個(gè)邏輯加工過程必然受到影響，在學(xué)生本人知識(shí)體系中，最后得出的結(jié)論的穩(wěn)定度和可信度不高，難以被原有知識(shí)體系所接受，在建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)心理學(xué)觀點(diǎn)下，如果學(xué)生缺少了概念認(rèn)知和重組的過程，導(dǎo)致知識(shí)體系在實(shí)驗(yàn)前后未發(fā)生明顯變化，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)也就沒了效果，從而使實(shí)驗(yàn)教學(xué)中這一部分的教學(xué)成果丟失.

該光學(xué)虛擬仿真平臺(tái)采取完全自主化的操作設(shè)計(jì)，運(yùn)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面時(shí)，有效避免了因傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)而導(dǎo)致的某些教學(xué)成果的丟失. 平臺(tái)根據(jù)以學(xué)生為中心教育理念，結(jié)合建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，讓學(xué)生自己完成實(shí)驗(yàn)光路的搭建和現(xiàn)象的觀察測(cè)量. 學(xué)生可以根據(jù)自己對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，嘗試進(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)方案，直到搭建出正確的實(shí)驗(yàn)光路. 在這個(gè)過程中，學(xué)生需要知道每個(gè)器材在實(shí)驗(yàn)中的用處，即它會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)造成怎樣的影響，以及它的正確使用方法. 當(dāng)學(xué)生掌握了這些并且按照正確的方式把他們組裝起來的時(shí)候，才能達(dá)到實(shí)驗(yàn)條件，完成實(shí)驗(yàn). 在整個(gè)過程中，學(xué)生不僅鍛煉了基本實(shí)驗(yàn)技能，而且將儀器和原理聯(lián)系起來，并運(yùn)用到實(shí)驗(yàn)中去，這種教學(xué)方法屬于實(shí)用教學(xué)，可以加深學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和記憶.

3.2 講義式的網(wǎng)頁設(shè)計(jì)

對(duì)于超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不僅設(shè)計(jì)了仿真軟件，同時(shí)創(chuàng)建了實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁，如圖14所示，與軟件相結(jié)合形成了完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

圖14 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁

實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁采用講義式設(shè)計(jì)，包括“實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器”等內(nèi)容，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了各方位的描述，學(xué)生在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)前，可以瀏覽相關(guān)內(nèi)容，如同在實(shí)驗(yàn)前閱覽實(shí)驗(yàn)教學(xué)講義.

由于目前虛擬仿真實(shí)驗(yàn)尚未普及，許多學(xué)生可能沒有接觸過仿真實(shí)驗(yàn)，在進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)操作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生“自己在機(jī)械的進(jìn)行電腦操作，而非進(jìn)行實(shí)驗(yàn)”的感覺，導(dǎo)致仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果下降. 由于仿真實(shí)驗(yàn)本身特點(diǎn)的限制，這種現(xiàn)象難以得到實(shí)質(zhì)性的解決. 因此，在實(shí)驗(yàn)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)上，采用講義式設(shè)計(jì)，讓學(xué)生們進(jìn)行仿真操作前預(yù)先瀏覽，由于學(xué)生在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課前習(xí)慣查閱實(shí)驗(yàn)講義，所以講義式的網(wǎng)頁內(nèi)容，可以將學(xué)生帶入實(shí)驗(yàn)的氛圍，將學(xué)生的思維模式轉(zhuǎn)換為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)模式. 盡可能減小上述現(xiàn)象的影響.

另外，網(wǎng)頁上還放置了實(shí)驗(yàn)演示視頻，為學(xué)生展示了實(shí)驗(yàn)基本內(nèi)容和大致的操作過程. 實(shí)驗(yàn)前，能讓學(xué)生初步建立實(shí)驗(yàn)的大致過程，對(duì)實(shí)驗(yàn)有整體認(rèn)識(shí). 實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以為實(shí)驗(yàn)步驟提供參考和對(duì)照. 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，又可將理論結(jié)果和實(shí)際結(jié)果相對(duì)照，形成學(xué)習(xí)反饋.

4 結(jié)束語

超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過光學(xué)儀器庫的模型設(shè)計(jì)，及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的仿真程序編輯，實(shí)現(xiàn)了超快光場(chǎng)與物質(zhì)相互作用實(shí)驗(yàn)的虛擬仿真，同時(shí)將仿真程序軟件與教學(xué)網(wǎng)頁相結(jié)合，形成完整的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái). 結(jié)合該平臺(tái)

運(yùn)用到實(shí)際教學(xué)的情況調(diào)查及學(xué)生的意見反饋，接下來將就程序的修改完善、平臺(tái)融入理論課程的教學(xué)模式和新實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的開發(fā)做進(jìn)一步探索.