超快光場與物質相互作用虛擬仿真實驗平臺

鄧 莉，周科衛,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 a.物理與材料科學學院; 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)

隨著近年信息科學的快速發展，高校教育領域提出了結合科學技術發展，創新教學模式的要求，各種虛擬仿真實驗平臺陸續出現、發展并得到運用. 其中，在大學物理光學實驗領域，也有很多仿真軟件，但大都局限于普通物理實驗，而專業性較強的激光光譜學實驗仿真軟件，目前還沒有. 在這種情況下，華東師范大學采用校企研發的方式，研發了超快光場與物質相互作用虛擬仿真實驗平臺，該平臺不僅能完成超快光場、激光光譜學的相關教學實驗，而且結合一些主流的教育教學原理，在完成實驗仿真的基礎上，通過補充實驗器材內部結構示意圖、創建實驗教學網站、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相互作用實驗教學平臺. 在此平臺上，學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超快動力學特性、物質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”等理論課程的教學，也可以做實驗教學的預習內容或補充內容.

1 光學實驗儀器庫的設計與實現

該平臺首先對光學實驗所需儀器進行虛擬模型的設計，包括激光光源、光學元件、儀器設備等. 并通過程序編寫實現了這些虛擬模型的功能，使用者可在操作界面調用儀器元件，進行光路搭建，觀測實驗現象. 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

該虛擬仿真平臺設計了3種激光光源，分別為連續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，還可以改變染料激光器中的材料獲得不同頻率的光源，以滿足實驗光源需求. 同時在平臺上，學生還能觀察激光器的內部結構圖，如圖2所示，可以幫助學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532 nm激光器及其調節窗口

(b)鎖模鈦寶石激光器及其調節窗口

(c) 染料激光器及其調節窗口圖1 激光光源

(a)連續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 光學元件

平臺提供了大量的光學元件，除了常規的透鏡、反射鏡、分光鏡之外，還提供了帶通濾光片、連續可調衰減片、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. 實驗中可以調節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=反射功率：折射功率，如圖3(a)所示.

(a)帶通濾波片

(b) 連續可調衰減片圖3 光學元件

連續可調衰減片利用將吸收某個波長光的介質膜鍍在玻璃上，通過介質膜對光的吸收，達到透過光功率的減弱的目的. 連續可調衰減片是連續改變介質膜的厚度達到連續改變透過光的功率，實現透過光從100%衰減至0%的功能. 如圖3(b)所示,實驗中通過調節衰減片的角度來改變光束處介質膜厚度，從而改變光透過率.

1.3 檢測器件

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

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果如圖4所示，使用連續532 nm激光器出射光，經反射鏡反射后入射至做鈦寶石激光器，作為其泵浦光，產生超短脈沖激光，利用硅探測器接收激光，將信號傳遞給功率計，當連續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 相關光學實驗的設計與實現

運用儀器庫中的光源、元件以及檢測設備，可以搭建完整的實驗光路，模擬激光光學領域的相關實驗，并能觀察現象，測量數據.

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，打開計算機相應軟件，可觀察到光束的強度分布，如圖6所示. 光斑光強從內到外逐漸減弱，其空間光強值呈高斯分布.

圖6 高斯光束觀測圖

2.2 自相關實驗

脈沖強度自相關法是測量光脈沖寬度的典型技術. 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生的脈沖光寬度. 該激光光束經分束片分成2束，2光束偏振方向相互平行. 2束光分別經過固定光路與可變光學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是倍頻光學晶體，當2束激光的脈沖在BBO晶體內時間域完全重合時，可以產生自相關信號，此信號經由光電探測器接收，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換為電信號，此電信號經過相放大器放大后，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實驗信號，利用數據擬合得到激光脈沖的時域寬度. 信號如圖9所示.

圖7 自相關實驗光路圖

圖8 一維納米平移臺

圖9 自相關信號圖

2.3 泵浦探測實驗

泵浦-探測技術是研究半導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生，經分束鏡分成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束光分別經固定與可變光學延遲線后非共線地聚焦到樣品上. 2束光分別經過固定光路與可變光學延遲線后非共線地聚焦到樣品上. 當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換為電信號，此電信號經過相放大器放大后，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部的光柵，調諧輸出激光波長，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光譜相比，很多精細結構都顯現出來，由此反應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頁設計

3.1 自主化操作設計

該實驗程序只提供實驗操作平面和所需器材，使用者需要根據所需完成的實驗任務，通過老師教學或者實驗預習的方式，在了解實驗原理和方案的情況下，自行搭建光路，調整儀器狀態參量，對相應的實驗現象進行觀測.

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

在現實實驗室環境中，特別是激光實驗，一些光路的精準度要求很高，很多實驗室在學生實驗操作之前，就已經由老師搭建好了光路，調節了各元件位置及參量. 學生進入實驗室后，只需要打開電源，按照講義改變實驗條件，對現象進行觀察測量，實驗便完成了.

這種傳統實驗教學方法，雖然提高了學生實驗的完成率，但學生的自主操作內容大大減少，其中包括激光起振、光路準直、光束的聚焦與擴束等基礎實驗技能. 而且當缺失的這一部分操作內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操作產生影響.

在學習過程中，學習材料(如已知條件，實驗儀器)和學習結果(如某一結論或公式)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構，對現有信息進行加工，通過邏輯推理或論證，得出結論，若該結論得到認可，則會整合到已有的知識結構中去，這就是學習成果. 因此，學習結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，在學生本人知識體系中，最后得出的結論的穩定度和可信度不高，難以被原有知識體系所接受，在建構主義的學習心理學觀點下，如果學生缺少了概念認知和重組的過程，導致知識體系在實驗前后未發生明顯變化，學生的實驗學習也就沒了效果，從而使實驗教學中這一部分的教學成果丟失.

該光學虛擬仿真平臺采取完全自主化的操作設計，運用在實驗教學方面時，有效避免了因傳統實驗教學而導致的某些教學成果的丟失. 平臺根據以學生為中心教育理念，結合建構主義學習理論，讓學生自己完成實驗光路的搭建和現象的觀察測量. 學生可以根據自己對實驗的理解，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. 當學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，學生不僅鍛煉了基本實驗技能，而且將儀器和原理聯系起來，并運用到實驗中去，這種教學方法屬于實用教學，可以加深學生對理論知識的理解和記憶.

3.2 講義式的網頁設計

對于超快光場與物質相互作用虛擬仿真實驗，不僅設計了仿真軟件，同時創建了實驗網頁，如圖14所示，與軟件相結合形成了完整的虛擬仿真實驗平臺.

圖14 實驗網頁

實驗網頁采用講義式設計，包括“實驗簡介、實驗原理、實驗內容、實驗儀器”等內容，對實驗進行了各方位的描述，學生在進行仿真實驗前，可以瀏覽相關內容，如同在實驗前閱覽實驗教學講義.

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

另外，網頁上還放置了實驗演示視頻，為學生展示了實驗基本內容和大致的操作過程. 實驗前，能讓學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. 實驗結束后，又可將理論結果和實際結果相對照，形成學習反饋.

4 結束語

超快光場與物質相互作用虛擬仿真實驗平臺，通過光學儀器庫的模型設計，及相關實驗的仿真程序編輯，實現了超快光場與物質相互作用實驗的虛擬仿真，同時將仿真程序軟件與教學網頁相結合，形成完整的實驗教學平臺. 結合該平臺

運用到實際教學的情況調查及學生的意見反饋，接下來將就程序的修改完善、平臺融入理論課程的教學模式和新實驗內容的開發做進一步探索.