基于項(xiàng)目訓(xùn)練的《薄膜光學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)探討

吳素勇 黃云 楊開勇 曲天良

摘要：作為光學(xué)工程專業(yè)研究生課程之一，《薄膜光學(xué)》課程具有極強(qiáng)的專業(yè)性、抽象性和交叉性，其中學(xué)生實(shí)踐環(huán)節(jié)的組織及其效果一直是教學(xué)中的短板。為了滿足目前光電產(chǎn)業(yè)對(duì)薄膜工程師的迫切需求，筆者以激光陀螺小型化中遇到的陀螺讀出拍頻信號(hào)信噪比下降的實(shí)際科研問題為背景，以學(xué)生為主體，通過科研項(xiàng)目訓(xùn)練的方式，展開了一場實(shí)踐教學(xué)演練，結(jié)果表明以項(xiàng)目訓(xùn)練方式推動(dòng)《薄膜光學(xué)》實(shí)踐教學(xué)的思路值得提倡。

關(guān)鍵詞：薄膜光學(xué)；實(shí)踐教學(xué)；激光陀螺

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）38-0123-02

目前，伴隨著高清顯示屏、智能手機(jī)和太陽能利用等的普及，光電產(chǎn)業(yè)界急需具有扎實(shí)動(dòng)手能力和研發(fā)能力的光學(xué)薄膜工程師。然而，作為一個(gè)知識(shí)、技術(shù)和資金密集型的高科技產(chǎn)業(yè)，光學(xué)薄膜要求從業(yè)者不斷地進(jìn)行智力投資和知識(shí)更新，進(jìn)一步加劇了薄膜工程師供不應(yīng)求的現(xiàn)狀。為更好地適應(yīng)前沿科研和產(chǎn)業(yè)界的需要，多個(gè)大學(xué)和研究所紛紛開設(shè)了《薄膜光學(xué)》課程，代表性單位有浙江大學(xué)、中科院長春光機(jī)所、國防科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、長春理工大學(xué)等，中科院上海光機(jī)所還經(jīng)常組織光學(xué)薄膜暑期培訓(xùn)班。然而，由于《薄膜光學(xué)》是門專業(yè)性很強(qiáng)的交叉性工程技術(shù)學(xué)科，涉及數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、光電、真空、材料和自動(dòng)控制等領(lǐng)域，課程內(nèi)容多而課時(shí)短，往往造成在其課堂教學(xué)中易偏重于理論講解，造成學(xué)生學(xué)完課程后仍然不清楚薄膜設(shè)計(jì)、制備和測試的實(shí)際過程，動(dòng)手能力鍛煉嚴(yán)重不足，實(shí)踐教學(xué)長期處于教學(xué)短板。為此，筆者試著以實(shí)際科研項(xiàng)目訓(xùn)練的方式探討《薄膜光學(xué)》實(shí)踐教學(xué)的可行性及效果。

一、問題的提出

環(huán)形激光陀螺（RLG）作為慣性導(dǎo)航與制導(dǎo)的理想角速度敏感元件，在西方發(fā)達(dá)國家許多領(lǐng)域已取代了傳統(tǒng)機(jī)電陀螺，特別是在飛機(jī)、軍用艦船、潛艇、導(dǎo)彈、火炮、戰(zhàn)車、運(yùn)載火箭和衛(wèi)星等載體上應(yīng)用廣泛。經(jīng)過40多年發(fā)展，目前西方發(fā)達(dá)國家已形成多種大小、不同精度的RLG型號(hào)產(chǎn)品，以滿足不同應(yīng)用場合需求。盡管國內(nèi)RLG批生產(chǎn)時(shí)間比美國晚約20年，目前在中、高等精度陀螺生產(chǎn)工藝和參數(shù)指標(biāo)上與世界一流水平已基本相當(dāng)，但在小型化激光陀螺研制上還存在一些差距。在激光陀螺小型化的研制過程中，發(fā)現(xiàn)隨著陀螺體積縮小，氦氖氣體有效增益長度開始減小，而氣體放電產(chǎn)生的輝光強(qiáng)度卻基本不變，這嚴(yán)重影響陀螺輸出信號(hào)的信噪比，對(duì)信號(hào)解調(diào)和技術(shù)指標(biāo)產(chǎn)生不利影響，因此有必要研究一種能壓制氦氖氣體放電輝光而又不影響陀螺有用信號(hào)的濾光片方案。

二、實(shí)踐教學(xué)的過程及效果

為此，實(shí)踐教學(xué)的第一步是先確定待研制濾光片的光譜指標(biāo)要求，包括中心波長、峰值透射率、通帶寬度、截止帶寬度及截止深度等參數(shù)。為了讓學(xué)生對(duì)激光陀螺的輝光有個(gè)直觀的印象，我們安排學(xué)生自行從網(wǎng)上下載查閱典型的環(huán)形激光陀螺及其放電輝光的圖片。有了直觀印象后，學(xué)生們開始討論如何獲得激光陀螺的輝光譜線及其分布情況。主要有兩種觀點(diǎn)，一是查已發(fā)表的資料，看看能否借鑒，二是直接用寬帶光譜儀進(jìn)行測量。經(jīng)過一周的搜集后，學(xué)生們大多只搜索到了氦氖激光器的可能的一些激光譜線，尚未發(fā)現(xiàn)環(huán)形激光陀螺輝光光譜的公開報(bào)道。論文搜集失利后，只能走用光譜儀測量的思路。為此，學(xué)生們采用研究所現(xiàn)有光柵攝譜儀SGM100，對(duì)激光陀螺的輝光和輸出光進(jìn)行光譜測試。根據(jù)測量結(jié)果，激光陀螺的輝光光譜范圍較寬，從380～760nm都有次峰，但主要分布在570～760nm波段，最強(qiáng)的次峰為640nm，這與人眼感覺輝光偏紅的現(xiàn)象較一致。

因此，待研制的濾光片中心透射波長應(yīng)為632.8nm，峰值透射率盡可能高，且透射帶半峰值寬度不大于7nm，截止帶為570nm～760nm區(qū)間中除632.8nm波長處的中心透射帶以外的波段，截止透射率盡可能低。由于陀螺中激光以S偏振態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)，因此只需考慮S偏振光情況。由于光電探測器在可見光區(qū)的靈敏度響應(yīng)因子隨波長增大而近似線性增大，因此濾光片對(duì)輝光的壓制在長波區(qū)顯得更重要些。

經(jīng)過前期的膜系設(shè)計(jì)理論的學(xué)習(xí)，為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)濾波，學(xué)生們紛紛提到了可以使用F-P濾光片結(jié)構(gòu)，理由是其具有近似三角形的通帶，并且可以通過串置組合的方式組成多腔濾光片實(shí)現(xiàn)矩形通帶。具體設(shè)計(jì)時(shí)，學(xué)生們的意見出現(xiàn)了分歧，一種觀點(diǎn)是可以根據(jù)對(duì)稱膜系和導(dǎo)納匹配的原理來解析設(shè)計(jì)多腔F-P濾光片，另一種觀點(diǎn)是采用當(dāng)今強(qiáng)大的膜系設(shè)計(jì)軟件中提供的自動(dòng)合成方法進(jìn)行全局設(shè)計(jì)，尋找最優(yōu)解。為了激發(fā)學(xué)生的主動(dòng)性，體驗(yàn)科研道路選擇的多樣性，將設(shè)計(jì)工作分成兩個(gè)小組，一個(gè)小組負(fù)責(zé)用對(duì)稱膜系等效折射率和導(dǎo)納匹配層折射率的相互配合的解析設(shè)計(jì)方法，來構(gòu)建多腔F-P濾光片的結(jié)構(gòu)，最后用光學(xué)薄膜軟件OpenFilter的計(jì)算分析功能進(jìn)行光譜性能確認(rèn)，另一個(gè)小組則直接用光學(xué)薄膜設(shè)計(jì)軟件Optilayer中提供的“WDM Filter Design”自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊方法進(jìn)行全局尋優(yōu)，設(shè)計(jì)時(shí)間都是兩周。經(jīng)過兩周的設(shè)計(jì)，出現(xiàn)了有意思的情況，不同小組給出的結(jié)果既有相同又有不同的膜系結(jié)構(gòu)，同一小組不同的設(shè)計(jì)學(xué)生給出的結(jié)果也多種多樣，比如有17（10）和19（11）等單腔濾光片，19（6，16）和23（3，16）等雙腔濾光片，以及19（3，10，18）、23（4，13，22）等三腔濾光片。這些不同設(shè)計(jì)結(jié)果表明，學(xué)生們已能較熟練地使用課堂上所學(xué)的解析設(shè)計(jì)方法或自動(dòng)合成方法，能根據(jù)自身需要利用薄膜軟件進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)與分析，超出了教員原本預(yù)期的效果，從側(cè)面反映了這種實(shí)踐教學(xué)思路確實(shí)有助于提高學(xué)生的主動(dòng)性和動(dòng)手能力。另外，工程上希望濾光片設(shè)計(jì)通帶具有一定的平坦度，能夠容忍一定的膜厚隨機(jī)誤差。理論上，19（3，10，18）這個(gè)三腔濾光片以45°從空氣中入射時(shí)中心波長為632.8nm，其附近通帶較為平坦，峰值透射率為97.5%，半峰值寬度為22.5nm，而且矩形度較好，截止區(qū)的寬度和深度也都能滿足要求，故選用上述濾光片作為首次試鍍結(jié)構(gòu)。

在進(jìn)行樣品試鍍時(shí)，學(xué)生們現(xiàn)場觀摩了超凈間鍍膜室的設(shè)備情況和鍍膜過程，就課堂教學(xué)時(shí)講解的真空獲得裝置，如機(jī)械泵、羅茨泵、低溫泵等進(jìn)行了現(xiàn)場確認(rèn)，對(duì)其控制部分如低閥、預(yù)閥和高閥進(jìn)行了初步操作，對(duì)鍍膜樣品倉、基片清洗、基片轉(zhuǎn)盤、膜材料靶材、離子源等進(jìn)行了細(xì)節(jié)提問，對(duì)膜厚監(jiān)控的監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控軟件進(jìn)行了初步了解，在教員的指導(dǎo)下完成了上述濾光片的制備。一系列程序下來，學(xué)生盡管感覺鍍膜操作步驟比較多，但都覺得鍍膜不再那么神秘，課堂上講解的科學(xué)過程大多都得到了具體體現(xiàn)，相信經(jīng)過一段時(shí)間的練習(xí)或培訓(xùn)后，可以逐步勝任鍍膜工程師的日常工作。

待鍍制完樣品，就可以取出樣品，進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)的第四步——薄膜光譜測試了。光譜測試所用的儀器是lambda950分光光度計(jì)，首先帶領(lǐng)學(xué)生參觀了光度計(jì)的外觀和內(nèi)部光路情況，指出了保證測試環(huán)境和操作過程潔凈的重要性（避免膜片被污染），并現(xiàn)場演示了其測量過程。首先開啟分光光度計(jì)電源按鈕，待其光源預(yù)熱穩(wěn)定一段時(shí)間后，再開啟其控制軟件，選擇一種光譜掃描測量方法，觀察光斑形狀是否正常，待其正常后即可進(jìn)行初始化，然后將樣品至于光路中心，即可展開透射譜測試。在測量的過程中，就課堂教學(xué)提到的樣品口徑、厚度、楔角、后表面等因素對(duì)測量結(jié)果的影響，進(jìn)行了光路現(xiàn)場剖析觀察，學(xué)生普遍反映這種教學(xué)方式使知識(shí)和技巧容易理解多了，對(duì)lambda950這種貴重測量設(shè)備也不再發(fā)怵，能夠從容進(jìn)行科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋∧す庾V測試。

測量完成后，還應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行理論分析，一是看是否按理論預(yù)測情況發(fā)展，如果不是，找出偏移量，以反饋給鍍制控制過程參考，以便下一次修正控制參數(shù)。對(duì)比其理論曲線，學(xué)生們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)較明顯的區(qū)別，即實(shí)測曲線較理論曲線向短波平移了約14nm，這意味著整個(gè)濾光片鍍薄了一些。為了準(zhǔn)確確定該偏移量，根據(jù)測量的透射譜，讓學(xué)生們利用研究所自研的多層膜反向工程軟件，對(duì)所鍍?yōu)V光片進(jìn)行膜系結(jié)構(gòu)反演，反演出的實(shí)際膜層幾何厚度約為理論值的0.98倍，發(fā)現(xiàn)擬合曲線與實(shí)測曲線吻合地很好。觀察此時(shí)45°入射時(shí)的計(jì)算透射曲線，發(fā)現(xiàn)632.8nm處的透射率為92.9%，640nm處的透射率為66.2%，640nm以上的輝光譜線都處于濾光片的截止帶中，這恰恰是應(yīng)用中我們特別關(guān)心的。最后，為了進(jìn)一步確認(rèn)該濾光片的輝光效果，將該濾光片膠合在陀螺的輸出鏡后表面，用示波器觀察陀螺信號(hào)與噪聲的幅值變化，發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度約下降了20%，噪聲強(qiáng)度約下降了80%，表明輝光濾除的效果顯著，任務(wù)圓滿完成。

三、結(jié)論

綜上所述，筆者以小型激光陀螺輸出信噪比隨腔長減小而下降的實(shí)際科研問題為背景下，通過光譜要求提出、膜系設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)、光學(xué)監(jiān)控制備、薄膜光譜測試和膜系結(jié)構(gòu)反演等五個(gè)方面，展開了一場別開生面的《薄膜光學(xué)》課程實(shí)踐教學(xué)活動(dòng)，與學(xué)生為主體，以教員為引導(dǎo)，一起研制了壓制氦氖氣體放電輝光的窄帶濾光片，從光學(xué)上顯著改善了小型激光陀螺的信噪比，簡化了后續(xù)電路處理的復(fù)雜度。在圓滿完成該工程項(xiàng)目的同時(shí)，學(xué)生們完整參與了薄膜研發(fā)全過程，在薄膜指標(biāo)提出、膜系設(shè)計(jì)、鍍膜操作、光譜測試和反向工程等方面很好地鍛煉了動(dòng)手能力，能活用課堂教學(xué)獲得的知識(shí)點(diǎn)，掌握了光學(xué)薄膜軟件的設(shè)計(jì)、分析和反演能力，熟悉了鍍膜機(jī)真空獲得和光學(xué)監(jiān)控的操作過程，學(xué)會(huì)了使用分光光度計(jì)對(duì)薄膜進(jìn)行光譜測試等核心技能，表明以項(xiàng)目訓(xùn)練方式推動(dòng)《薄膜光學(xué)》實(shí)踐教學(xué)效果是值得提倡的。