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，各種虛擬仿真實驗平臺陸續(xù)出現(xiàn)、發(fā)展并得到運用. 其中，在大學(xué)物理光學(xué)實驗領(lǐng)域，也有很多仿真軟件，但大都局限于普通物理實驗，而專業(yè)性較強的激光光譜學(xué)實驗仿真軟件，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)了超快光場與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實驗平臺，該平臺不僅能完成超快光場、激光光譜學(xué)的相關(guān)教學(xué)實驗，而且結(jié)合一些主流的教育教學(xué)原理，在完成實驗仿真的基礎(chǔ)上，通過補充實驗器材內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖、創(chuàng)建實驗教學(xué)網(wǎng)站、錄制仿真實驗演示視頻等方式，搭建了較為完善的超快光場與物質(zhì)相互作用實驗教學(xué)平臺. 在此平臺上，學(xué)生可以了解激光器原理及操作、激光時頻域及空間強度分布測量、超快激光脈沖測量物質(zhì)超快動力學(xué)特性、物質(zhì)高分辨率光譜測量等. 它既可以用于輔助諸如“激光原理”、“光譜測量技術(shù)”等理論課程的教學(xué)，也可以做實驗教學(xué)的預(yù)習(xí)內(nèi)容或補充內(nèi)容.

1 光學(xué)實驗儀器庫的設(shè)計與實現(xiàn)

該平臺首先對光學(xué)實驗所需儀器進行虛擬模型的設(shè)計，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，進行光路搭建，觀測實驗現(xiàn)象. 平臺包含的儀器類別多、用途廣、功能全面，是一個較完整的儀器庫.

1.1 激光光源

該虛擬仿真平臺設(shè)計了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激光器可做實驗光源，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，以滿足實驗光源需求. 同時在平臺上，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，在實驗中，需要根據(jù)波長選擇帶通濾光片，平臺提供8個波段的帶通濾光片，通帶頻段分布在400～850 nm范圍間. 實驗中可以調(diào)節(jié)帶通濾光片對光強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波長光的介質(zhì)膜鍍在玻璃上，通過介質(zhì)膜對光的吸收，達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)膜的厚度達到連續(xù)改變透過光的功率，實現(xiàn)透過光從100%衰減至0%的功能. 如圖3(b)所示,實驗中通過調(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 檢測器件

對于數(shù)據(jù)的采集及處理，平臺也設(shè)計了豐富的光檢測器件模型，用于顯示實驗現(xiàn)象，提取、處理實驗數(shù)據(jù)，如光纖探頭、光纖光譜儀、光纖單色儀、硅探測器、光電探測器、示波器以及處理數(shù)據(jù)的計算機等.

如功率計，可以檢測激光光束的功率. 利用功率計檢測鎖模鈦寶石激光器出射光束功率的實驗光路圖及實驗結(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，利用硅探測器接收激光，將信號傳遞給功率計，當(dāng)連續(xù)532 nm激光器的功率為5 W時，測得超短脈沖激光光功率為225 mW.

(a)功率測量光路圖

(b) 功率計讀數(shù)圖4 鎖模鈦寶石激光器出射光光功率測量圖

利用光纖探頭、光纖光譜儀以及計算機可以測量激光的頻譜圖. 鎖模鈦寶石激光器出射激光的光譜圖測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，再將信號傳遞給計算機模型，在計算機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量圖

2 相關(guān)光學(xué)實驗的設(shè)計與實現(xiàn)

運用儀器庫中的光源、元件以及檢測設(shè)備，可以搭建完整的實驗光路，模擬激光光學(xué)領(lǐng)域的相關(guān)實驗，并能觀察現(xiàn)象，測量數(shù)據(jù).

2.1 高斯光束的觀察測量實驗

激光器出射的激光光束，其光強在空間上呈高斯分布，實驗中可通過平面CCD陣列探測激光光束的空間分布，并在計算機上顯示出來. 在該虛擬平臺中，打開連續(xù)532 nm激光器，利用一個凸透鏡，一個凹透鏡將其出射光束收束，便于測量. 然后在光路上放置一平面CCD陣列，并連接到虛擬計算機上，打開計算機相應(yīng)軟件，可觀察到光束的強度分布，如圖6所示. 光斑光強從內(nèi)到外逐漸減弱，其空間光強值呈高斯分布.

圖6 高斯光束觀測圖

2.2 自相關(guān)實驗

脈沖強度自相關(guān)法是測量光脈沖寬度的典型技術(shù). 在該平臺中，可搭建如圖7所示光路圖，測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，如圖8所示，就是可變延遲線，它的移動由計算機控制；BBO是倍頻光學(xué)晶體，當(dāng)2束激光的脈沖在BBO晶體內(nèi)時間域完全重合時，可以產(chǎn)生自相關(guān)信號，此信號經(jīng)由光電探測器接收，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，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，此電信號經(jīng)過相放大器放大后，輸入至計算機，通過移動一維納米平移臺獲得激光脈沖的自相關(guān)實驗信號，利用數(shù)據(jù)擬合得到激光脈沖的時域?qū)挾? 信號如圖9所示.

圖7 自相關(guān)實驗光路圖

圖8 一維納米平移臺

圖9 自相關(guān)信號圖

2.3 泵浦探測實驗

泵浦-探測技術(shù)是研究半導(dǎo)體中光生載流子超快過程的主要手段. 在該平臺上，也能搭建如圖10的光路，測量樣品的超快過程泵浦—探測信號. 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脈沖，偏振方向相互平行，光強比為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間域完全重合時，泵浦探測信號，探測光經(jīng)由光電探測器接收，斬波器放置在光強較強的泵浦光的光路上，斬波頻率輸入到鎖相放大器作為參考頻率，光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，此電信號經(jīng)過相放大器放大后，輸入至計算機，通過移動一維納米平移臺運動改變兩脈沖的延遲時間獲得樣品的泵浦探測信號，如圖11所示.

圖10 泵浦-探測實驗光路圖

圖11 泵浦-探測信號圖

2.4 無多普勒展寬飽和吸收光譜測量實驗

在虛擬仿真實驗平臺上搭建強度調(diào)制飽和吸收光譜的測量光路，如圖12所示，通過計算機控制染料激光器內(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量實驗光路圖

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

3.1 自主化操作設(shè)計

該實驗程序只提供實驗操作平面和所需器材，使用者需要根據(jù)所需完成的實驗任務(wù)，通過老師教學(xué)或者實驗預(yù)習(xí)的方式，在了解實驗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，對相應(yīng)的實驗現(xiàn)象進行觀測.

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

在現(xiàn)實實驗室環(huán)境中，特別是激光實驗，一些光路的精準(zhǔn)度要求很高，很多實驗室在學(xué)生實驗操作之前，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)生進入實驗室后，只需要打開電源，按照講義改變實驗條件，對現(xiàn)象進行觀察測量，實驗便完成了.

這種傳統(tǒng)實驗教學(xué)方法，雖然提高了學(xué)生實驗的完成率，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、光束的聚焦與擴束等基礎(chǔ)實驗技能. 而且當(dāng)缺失的這一部分操作內(nèi)容涉及到實驗原理時，如果老師不做額外講解和提醒，則缺失部分會對整個實驗的理解和后續(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，實驗儀器)和學(xué)習(xí)結(jié)果(如某一結(jié)論或公式)之間是有一個邏輯加工過程的，這個過程就是利用以前有的知識結(jié)構(gòu)，對現(xiàn)有信息進行加工，通過邏輯推理或論證，得出結(jié)論，若該結(jié)論得到認可，則會整合到已有的知識結(jié)構(gòu)中去，這就是學(xué)習(xí)成果. 因此，學(xué)習(xí)結(jié)果是由每一個必不可少的信息綜合起來，通過嚴密的邏輯加工所獲得的. 如果缺少了其中某一個信息，則整個邏輯加工過程必然受到影響，在學(xué)生本人知識體系中，最后得出的結(jié)論的穩(wěn)定度和可信度不高，難以被原有知識體系所接受，在建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)心理學(xué)觀點下，如果學(xué)生缺少了概念認知和重組的過程，導(dǎo)致知識體系在實驗前后未發(fā)生明顯變化，學(xué)生的實驗學(xué)習(xí)也就沒了效果，從而使實驗教學(xué)中這一部分的教學(xué)成果丟失.

該光學(xué)虛擬仿真平臺采取完全自主化的操作設(shè)計，運用在實驗教學(xué)方面時，有效避免了因傳統(tǒng)實驗教學(xué)而導(dǎo)致的某些教學(xué)成果的丟失. 平臺根據(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)生自己完成實驗光路的搭建和現(xiàn)象的觀察測量. 學(xué)生可以根據(jù)自己對實驗的理解，嘗試進行各種實驗方案，直到搭建出正確的實驗光路. 在這個過程中，學(xué)生需要知道每個器材在實驗中的用處，即它會對實驗造成怎樣的影響，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候，才能達到實驗條件，完成實驗. 在整個過程中，學(xué)生不僅鍛煉了基本實驗技能，而且將儀器和原理聯(lián)系起來，并運用到實驗中去，這種教學(xué)方法屬于實用教學(xué)，可以加深學(xué)生對理論知識的理解和記憶.

3.2 講義式的網(wǎng)頁設(shè)計

對于超快光場與物質(zhì)相互作用虛擬仿真實驗，不僅設(shè)計了仿真軟件，同時創(chuàng)建了實驗網(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驗平臺.

圖14 實驗網(wǎng)頁

實驗網(wǎng)頁采用講義式設(shè)計，包括“實驗簡介、實驗原理、實驗內(nèi)容、實驗儀器”等內(nèi)容，對實驗進行了各方位的描述，學(xué)生在進行仿真實驗前，可以瀏覽相關(guān)內(nèi)容，如同在實驗前閱覽實驗教學(xué)講義.

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

另外，網(wǎng)頁上還放置了實驗演示視頻，為學(xué)生展示了實驗基本內(nèi)容和大致的操作過程. 實驗前，能讓學(xué)生初步建立實驗的大致過程，對實驗有整體認識. 實驗時，可以為實驗步驟提供參考和對照. 實驗結(jié)束后，又可將理論結(jié)果和實際結(jié)果相對照，形成學(xué)習(xí)反饋.

4 結(jié)束語

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

運用到實際教學(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、平臺融入理論課程的教學(xué)模式和新實驗內(nèi)容的開發(fā)做進一步探索.