吳旭峰,朱 利

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210096）

電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)光電子實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

吳旭峰,朱 利

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇南京 210096）

我院根據(jù)教學(xué)需要,建設(shè)了專(zhuān)門(mén)為電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科教學(xué)服務(wù)的光電子實(shí)驗(yàn)室。本文從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)和制作、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的建設(shè)和實(shí)驗(yàn)教材編寫(xiě)等方面介紹了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)情況。本實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)為本校相關(guān)專(zhuān)業(yè)的教學(xué)提供了良好的教學(xué)服務(wù)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)和本校的實(shí)際情況,文中提出了下一步實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的思路。

電子科學(xué)與技術(shù);光電子;實(shí)驗(yàn)室建設(shè)

隨著專(zhuān)業(yè)課程改革,我校電子學(xué)院原有的真空、激光、電子器件、微波和微電子等相關(guān)專(zhuān)業(yè)已經(jīng)合并為電子科學(xué)與技術(shù)一個(gè)寬口徑本科專(zhuān)業(yè),并制訂了統(tǒng)一的教學(xué)計(jì)劃。光學(xué)光電子學(xué)科一直是我們?cè)旱囊粋€(gè)重要的研究方向,擁有物理電子學(xué)和光學(xué)工程的碩士點(diǎn)、博士點(diǎn)和博士后流動(dòng)站。由于該學(xué)科應(yīng)用面廣和實(shí)踐性強(qiáng),實(shí)驗(yàn)教學(xué)在專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)中占有重要的地位[1-2]。

1 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)置

我院以激光光電子的基礎(chǔ)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主建設(shè)了光電子實(shí)驗(yàn)室,設(shè)計(jì)制作了實(shí)驗(yàn)設(shè)備。我們根據(jù)本院的實(shí)際情況,仔細(xì)討論研究確定了所要建設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?！肮怆娮游锢砘A(chǔ)”課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí),項(xiàng)目確定為激光增益的測(cè)量、激光縱橫模的測(cè)量和激光線(xiàn)寬的測(cè)量;“光電子技術(shù)”課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí),項(xiàng)目確定為電光調(diào)制技術(shù)、激光調(diào)Q和倍頻技術(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)和制作

我們通過(guò)調(diào)研,了解國(guó)內(nèi)幾所高校的光電子實(shí)驗(yàn)狀況。我們確定了實(shí)驗(yàn)室配置設(shè)備的基本方案。

針對(duì)激光增益的測(cè)量,國(guó)內(nèi)各高校的實(shí)驗(yàn)方法各異。有些高校采用放大法,一臺(tái)激光器輸出的激光通過(guò)一個(gè)放大器,分別測(cè)試輸入和放大器輸出的光強(qiáng)大小,求出增益系數(shù)。有一些高校采用內(nèi)損耗法來(lái)測(cè)試增益系數(shù),即在腔內(nèi)插入損耗輸出片,隨著損耗片的旋轉(zhuǎn),該損耗片上光的反射率發(fā)生變化,通過(guò)測(cè)量損耗片上輸出光強(qiáng)與旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系曲線(xiàn),可以求出小信號(hào)增益系數(shù),同時(shí)還可以求出腔內(nèi)損耗和飽和光強(qiáng)等參數(shù)。該方法測(cè)試機(jī)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些,數(shù)據(jù)處理工作量大。我們確定采用后一種內(nèi)損耗法來(lái)測(cè)試激光增益。

許多高校激光調(diào)Q采用染料調(diào)Q方法,我們考慮目前工業(yè)生產(chǎn)中激光應(yīng)用現(xiàn)狀和調(diào)Q穩(wěn)定性,采用電光調(diào)Q技術(shù)[3-5],我們確立所需建設(shè)電光調(diào)Q實(shí)驗(yàn)基本原理和方法。

在確定了實(shí)驗(yàn)設(shè)備方案基礎(chǔ)上,我們根據(jù)使用情況,確定實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基本參數(shù)和測(cè)量精度,進(jìn)行新儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作,根據(jù)實(shí)際使用對(duì)某些結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)。比如內(nèi)損耗法測(cè)試激光增益的時(shí)候,損耗片旋轉(zhuǎn)θ角度,反射光束則旋轉(zhuǎn)2θ角度,因此光探測(cè)器不能與損耗片放置在一個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)軸上,目前大部分的實(shí)驗(yàn)裝置中通過(guò)一套齒輪系統(tǒng)來(lái)保證損耗片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中與反射光束探測(cè)器同步。而我們新設(shè)計(jì)的裝置中直接選用一個(gè)長(zhǎng)條形的光電池來(lái)測(cè)試反射光,只要保證損耗片旋轉(zhuǎn)過(guò)程中,反射光束都落在光電池上就可以了。從而簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)裝置,節(jié)約了制作成本。另外激光橫模的測(cè)量、激光縱模的測(cè)量和激光線(xiàn)寬的測(cè)量三套裝置的空間都不大,且使用同一種激光源(He-Ne激光),我們?cè)O(shè)計(jì)時(shí)將它們集成在一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱內(nèi),由光反射器將激光分別引到各自測(cè)試光路中,節(jié)省了實(shí)驗(yàn)空間。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)新的實(shí)驗(yàn)裝置時(shí),將原有設(shè)備中用函數(shù)記錄儀記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全部改為微機(jī)采集測(cè)試。比如增益測(cè)量中損耗片上反射光強(qiáng)與旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系曲線(xiàn)和激光橫模測(cè)量中光強(qiáng)分布曲線(xiàn)測(cè)試中,通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng),光探測(cè)器測(cè)得的光強(qiáng)數(shù)據(jù)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換由串口輸入計(jì)算機(jī),顯示出曲線(xiàn),同時(shí)生成數(shù)據(jù)表文件,實(shí)驗(yàn)完成以后,學(xué)生可以將數(shù)據(jù)拷貝回去進(jìn)行處理,方便于學(xué)生進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取并應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。這樣既可提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和精度,還能熟悉Origin和Matlab等相關(guān)軟件的使用。再如用多光束干涉法測(cè)量激光線(xiàn)寬時(shí)獲得的干涉環(huán),以前的實(shí)驗(yàn)中是使用感光底片拍照來(lái)記錄的。我們新設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置直接用CCD成像,輸入計(jì)算機(jī),讀出顯示,生成圖形文件,由相應(yīng)程序讀出干涉環(huán)的內(nèi)外徑,提高了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的精度。

實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)制作中,我們適度增加趣味性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。在電光調(diào)制實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生可先調(diào)節(jié)電光晶體上所加偏壓測(cè)得電光調(diào)制曲線(xiàn),隨后加上正弦信號(hào),調(diào)節(jié)直流偏壓觀(guān)察信號(hào)失真情況。在這之后,我們?cè)O(shè)計(jì)用MP3播放器將一些流行歌曲的音頻信號(hào)加到電光晶體上,光接收器收到的音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大由揚(yáng)聲器播放出來(lái),在這個(gè)過(guò)程中學(xué)生可以感受到簡(jiǎn)單的光通訊過(guò)程,直接感受到直流偏壓變化或旋轉(zhuǎn)1/4波片時(shí)的信號(hào)失真情況。

3 目前使用情況

實(shí)驗(yàn)室教學(xué)主要針對(duì)我院電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科生的兩門(mén)課程開(kāi)放。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的訓(xùn)練,學(xué)生通過(guò)動(dòng)手操作,掌握了基本的實(shí)驗(yàn)技巧和方法。本實(shí)驗(yàn)室還為本校物理系的光信息科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)“現(xiàn)代光學(xué)實(shí)驗(yàn)”課程,為物理學(xué)和應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的激光原理課程開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)。在完成教學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上,本實(shí)驗(yàn)室還為大學(xué)生研究計(jì)劃SRTP提供一定的幫助。我們還將有些實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造,幫助研究生完成相關(guān)課題研究。如將電光調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單的改造,進(jìn)行了混沌信號(hào)光通訊的研究;利用脈沖調(diào)Q激光器,完成激光燒蝕制備納米材料的實(shí)驗(yàn)研究。

4 下一步建設(shè)設(shè)想

目前,光電子實(shí)驗(yàn)室只設(shè)計(jì)了一些基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的安排,電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)本科必選課“現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)”也將設(shè)置一些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,置于本實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)內(nèi)。該實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容的設(shè)置有別于普通物理實(shí)驗(yàn),更多地考慮本校電子專(zhuān)業(yè)的特點(diǎn),涉及顯示光學(xué)技術(shù)、眼視光學(xué)和光電檢測(cè)等實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。我們準(zhǔn)備設(shè)立新型激光器件應(yīng)用和光纖通訊等創(chuàng)新型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,可讓學(xué)生選修。

[1] 黃沖,歐陽(yáng)艷東.創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J].蘭州:高等理科教育,2001,6(40):50-52

[2] 明海,陳博,章江英.大力加強(qiáng)光學(xué)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的素質(zhì)教育和創(chuàng)新能力培養(yǎng)[J].合肥:光電子技術(shù)與信息,2004,17(4):15-18

[3] 高以智.激光實(shí)驗(yàn)選編[M].北京:電子工業(yè)出版社,1988.5

[4] 屠欽澧,張自襄.激光實(shí)驗(yàn)原理和方法[M].北京:北京工業(yè)學(xué)院出版社,1988.6

[5] 黃植文,黃顯玲.激光實(shí)驗(yàn)[M].北京:北京大學(xué)出版社,1996.9

Construction of Optoelectronic Laboratory for the Electronic Science and Technology Specialty

WU Xu-feng,ZHU Li

(Schoolo f E lectronic Science and Eng ineering,SoutheastUniversity,Nanj ing 210096,China)

Against the background of curriculum reform and enrollment expansion,according to teaching plan,the optoelectronic laboratory for undergraduate of electronic science and technology specialty is constructed.The laboratory construction details are introduced,including experimental content,design and manufacture of experim ental instruments,construction of experimentalenvironment,and compile of textbook.The lab has p rovided w ell teaching condition for undergraduate.According to the developing trend of experimental teaching and the factsofour university,the next laboratory construction plan is conceived.

electronic science and technology specialty;optoelectronics;laboratory construction

G482

A

1008-0686(2011)02-0048-02

2010-08-02;

2011-01-06

吳旭峰(1973-),男,博士,副教授,主要從事光電子技術(shù)與應(yīng)用的研究,E-m ail:w uxf@seu.edu.cn