科研儀器在光電信息科學與工程系專業實驗中的應用

曹建軍

摘要：隨著光電信息領域近十幾年來的快速發展，光電信息科學與工程專業迎來了更多的機遇。本專業不僅要求學生掌握扎實的理論知識，還需要學生具備實踐和創新能力。本文以江南大學理學院光電信息科學與工程系為例，介紹科研儀器在創新教育與實驗教學中的應用。結合科研儀器的先進實驗教學將全面提高大學生的綜合素質，為社會培養更多創新型的人才。

Abstract： With the rapid development in the field of optoelectronic information over the past decade， the optoelectronic information science and engineering profession ushers in more opportunities. The major not only requires students to master a solid theoretical knowledge， but also requires students to have practical and innovative ability. This article takes the Department of Optoelectronic Information Science and Engineering of the School of Science of Jiangnan University as an example to introduce the application of scientific research instruments in innovative education and experimental teaching. The advanced experimental teaching that applies scientific research instruments will comprehensively improve the overall quality of college students and train more innovative talents for the society.

關鍵詞：科研儀器；專業實驗；光電信息科學與工程

Key words： scientific research instruments；Professional Experiments；optoelectronic information science and engineering

中圖分類號：E933.43 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0236-02

0 引言

隨著光電信息領域近十幾年來在平板顯示、機器視覺、生物探測、量子通信和量子計算等方面的高速發展，光學相關產業正在占據越來越大的市場分額，光電信息科學與工程專業迎來了更多的機遇。目前，國內有100多所高校開設了這個專業，其中江蘇省就有十幾所，如南京大學、南京理工大學、蘇州大學和江南大學等。該專業主要學習光學、機械學、電子學及計算機科學基礎理論及專業知識。要求學生了解光電信息技術的前沿理論，把握當代光電信息技術的發展動態，具有研究開發新系統、新技術的能力，接受現代光電信息技術的應用訓練，掌握光電信息領域中光電儀器的設計及制造方法，具有在光電信息工程及相關領域從事科研、教學、開發的基本能力。為了達到這樣的培養要求，本專業不僅要開設高質量的理論課程，還需要開設較多的實驗課程，以增強學生的實踐能力和創新能力。但總的來說，目前各高校在實驗教學中使用的一般是教學示范類的實驗儀器，這些儀器存在測量精度低、功能單一、落后于現代科技的缺點。使用這些儀器只能開展驗證性和綜合性的實驗，極大的限制了學生創新能力和實踐能力的培養。

1 科研儀器在實驗中應用的現狀

科研儀器是“雙一流”高校優質的教學資源，是進行高水平實驗教學和科學研究的重要工具，也是高等學校辦學實力和科研水平的重要標志。目前很多高校已經開展了科研儀器在教學中應用的探索研究工作[1-3]。北京工業大學和上海交通大學針對本科教學，開展了多種與大型儀器相關的必修課、選修課、創新實踐課、相關應用及競賽等[4]。浙江大學國家力學實驗教學示范中心從科研儀器設備資源共享、實驗室開放式管理、提高實驗技術人員綜合素質以及結合科研模式等方面闡述加強科研儀器設備在創新實驗教學中的應用[5]。

江南大學所處的無錫為長三角經濟圈的中心地帶，聚集了大量的激光技術、光電通信技術、光伏太陽能、LED照明與能源、光電子材料與光電元器件等方面的企業，這給本專業的發展帶來了極大的機遇，也給本專業學生的就業與創業提供了廣闊的平臺。據學工老師反饋，光電專業學生每年有近80%在長三角地區的相關企業就業。然而，目前光電領域從業的高學歷人員人數遠達不到行業的需求，長三角地區的光電企業急需高校培養專業基礎扎實、能快速適應行業要求、具有創新精神的高級技術人才。

2 科研儀器在光電系實驗教學中應用的實踐

本文將以江南大學理學院光電信息科學與工程系為例，介紹科研儀器在創新教育與實驗教學中的應用。科研儀器價格昂貴、操作較為復雜，需要開設專門的實驗課程讓學生掌握正確的操作方法和使用注意事項。在能夠熟練使用儀器的基礎上進行探索性的實驗?？蒲袃x器具有極高的測量精度，這些高水平的實驗可以提高學生的精密操作能力和對實驗現象的深入理解，為以后的工作和學習鋪平道路。近年來，本專業特別重視學生實踐和創新能力的培養，為此開設了專業實訓課程，在這些實訓課程中已經將部分科研儀器應用到了教學中并取得了很好的效果。

2.1 真空鍍膜實驗

真空鍍鋁始于1933年，是真空鍍膜研究最早的領域。真空鍍鋁從實驗室逐步達到工業生產規模，從制鏡工業發展到光學制品、電子部件、鋼板鍍鋁以及塑料制品鍍鋁等工業，發展潛力極大。近年來，塑料薄膜鍍鋁技術在各種領域得到廣泛應用，包括輕紡、電子部件、包裝、印刷、裝飾與建筑材料等等，深受國內外的普遍重視。我國有些單位也開始開展相關研究工作，但遇到了許多諸如設備、工藝、材料等問題，尤其是涉及真空鍍鋁基礎性問題的技術難關，影響真空鍍鋁工業的發展。本實驗通過使用真空鍍膜設備，讓學生掌握真空鍍鋁的基本技術。

2.2 半導體光電器件制備工藝實驗

利用磁控濺射開展氧化物和氮化物半導體材料的物理生長，研究材料的濺射生長原理和生長參數對于材料的影響。通過基本的表征手段了解半導體材料的晶體結構，缺陷態種類和材料的電學性質。開展半導體薄膜材料上的光電器件制備，在不同工藝過程中分析器件制造的結構設計。利用磁控濺射進行半導體光電器件的歐姆接觸和肖特基接觸的電極制備，探索不同金屬在半導體上形成的接觸特性，以及形成的光電器件結構的基本光電性能的測試。

2.3 納秒激光損傷閾值測試實驗

當激光對透明的材料發生消融作用時，到達樣品表面的能量被吸收，傳導以及反射都取決于材料的特性，而這部分被吸收的光將會導致這種透明材料的線性或者非線性的消融。一般公認的無缺陷電介質的體損傷是由激光光束經由電子以及原子的振動激發來對樣品產生消融作用。如果電場超過了一個關鍵值，將會引起快速電離以及等離子體的形成。當自由電子的密度超過了建立等離子體的閾值，那么材料將會發生不可逆的損傷消融。材料損傷閾值的測定對于利用激光消融來對材料進行精細加工有著重要作用。

2.4 表面等離子體傳感器實驗

金屬表面等離子體共振現象對金屬表面物質的折射率具有極高的靈敏度。最早提出的等離子體折射率測量裝置是利用棱鏡耦合的，這種方法測量精度極高，但是由于結構中使用了棱鏡，體積較大。另一種方法是用光柵把入射光耦合到金屬中產生表面等離子體共振，從而測量折射率，這種方法具有可高度集成的優點，與當今器件的微型化趨勢吻合。本實驗使用金屬光柵為主要器件搭建一套折射率測量裝置。測量時采用兩種不同的方法，一種是以白光作為光源，光纖光譜儀作為探測器，通過光譜漂移量確定液體折射率；另一種是以激光二極管作為光源，光電二極管作為探測器，通過測量光強變化確定液體折射率。

3 科研儀器在大學生創新項目、光電競賽和畢業設計中的應用

僅在課堂實驗教學中教會學生使用科研儀器的使用方法仍然不能激發學生主動思考和獨立完成課題的能力。課堂的時間是有限的，即使是專業實訓課程最多也不超過8小時，而一個完整的科學實驗需要長時間的積累。這里可以借助大學生創新項目、全國大學生光電競賽和本科畢業設計等讓學生們自由組隊參與一項系統的設計型、研究型實驗，讓學生自由設計實驗方案，培養他們的設計能力和創新精神。

4 結束語

光電系的學生畢業后大多在企業從事研發和設備維護工作，或者進入高校和研究所進一步深造。在這些工作和學習中，需要使用和研發現代化儀器。學生通過接觸先進的科研儀器，可以掌握學科研究和應用的前沿動態。新穎的實驗內容可以激發學生的學習興趣和熱情，提高教學效果?？b密的科研實驗過程可以培養學生一絲不茍的工作態度和邏輯思維能力。開放式的實驗結果可以激發學生勇于探索的精神和創新能力。結合科研儀器的先進實驗教學將全面提高大學生的綜合素質，為社會培養更多創新型人才。

參考文獻：

[1]樊廣華，霍學慧，郭風法，張永祥，宋憲亮.大型儀器在本科實驗教學中的應用與管理探討[J].中國現代教育裝備，2010（9）：18-20.

[2]朱平川，岑衛健，李楠.大型儀器平臺應用于本科教學實驗的探索[J].實驗科學與技術，2012，10（1）：119-121.

[3]章軍軍，崔秀紅.加強科研儀器設備在創新實驗教學中的應用[J].實驗技術與管理，2008，25（2）：174-176.

[4]湯云暉，劉麗月，陳南春，張亞非.推廣大型儀器實驗教學 培養學生創新能力[J].實驗室研究與探索，2015，34（12）：164-167.

[5]湯劍飛，嚴剛.科研儀器設備在力學課程實驗教學中的應用[J].實驗室科學，2014，17（1）：162-164.