科研成果在物理光学教学中的应用

刘春晓

摘要：本文把离子注入熔石英光波导的实验研究结果应用到薄膜波导的教学过程中，在此基础上对科研成果如何服务于物理光学教学进行了探索和实践。

关键词：物理光学；科研成果；光波导

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2017）06-0163-02

物理光学是光电子技术、光学工程和光信息科学与技术等专业的基础课程。它以光的电磁理论为理论基础，重点介绍光在各向同性介质和各向异性介质中的传播规律。通过该课程的学习，学生能够从物理本质上分析和理解光学现象与规律，为后续课程的学习以及今后从事相关研究和工作奠定坚实的光学基础。以科研促进教学是提高大学教学质量的重要途径。《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》明确指出要创新人才培养模式，促进科研与教学互动，及时把科研成果转化为教学内容。本文首先简要地介绍了氮离子注入熔石英玻璃光波导的实验结果，然后就科研成果有助于更新和丰富教学内容、提高学生的学习兴趣等方面详细阐述了如何把笔者的科研成果离子注入熔石英光波导应用于物理光学中薄膜波导的教学之中。

一、氮离子注入熔石英光波导的研究结果

在熔石英玻璃上，利用能量是4.5 MeV、剂量为5.0×1014 ions/cm2的N3+离子注入技术制备了平面光波导结构。采用Metricon Model 2010棱镜耦合仪测量了632.8 nm和1539 nm波长下的熔石英的衬底折射率和波导的暗模特性图。通过反射计算法重构的波导折射率分布是典型的“光学位垒+增强势阱”型分布。端面耦合法测得的波导中的传输模式和有限差分光束传输法拟合的结果相一致，使用背反射法测得波导的传输损耗为1.03 dB/cm，表明氮离子注入熔石英光波导具有潜在的应用价值。

二、离子注入光波导在物理光学教学中的应用

1.基于科研成果解决教材信息滞后的问题。21世纪是光子的世纪，包括物理光学在内的光学领域发展日新月异，科研人员攻克了一个又一个科学技术难题。但是，教材的编写和出版具有一定的周期性，不能适时地反映科技的最新进展。在教材编写时的一个技术瓶颈，可能在教材出版时已经被解决。物理光学教材在“薄膜波导的光耦合”中提到“由于薄膜非常薄，要想把外来光直接射入薄膜，并使入射光波与薄膜波导中一定模式相匹配，是非常困难的”。其实，这是光波导的端面耦合过程，它是在与波导光行进方向垂直的波导端面上，射入其场分布状态接近导模场分布的光波。在通常的波导结构中，波导层的厚度只有几个微米，若要把光波有效地耦合进尺寸这么小的波导区域之中，对于波导端面的平整程度和位置调整的要求极其严格。但是，近年来光学抛光技术和光学精密调整台得到了快速发展。Lapmaster DSG抛光机可使样品的表面光洁度小于0.25微米，Thorlabs的六轴NanoMax扰性位移台可达到纳米定位。因此，端面耦合问题已经得到了解决，不再是“非常困难”。包括笔者在内的国内外的研究人员多次报道了利用端面耦合技术测量了波导的近场光强分布。本课题组的端面耦合系统的实验装置，它主要由光源（一般为氦氖激光器）、显微物镜、精密调整架和CCD成像设备等组成。我们利用该端面耦合系统研究了能量是4.5 MeV、剂量为5.0×1014 ions/cm2的N3+离子注入熔石英玻璃形成的平面光波导在632.8 nm波长下的近场光强分布。实验结果显示该平面波导结构可以传输632.8 nm波长的光。在课堂上，我们展示了这一科研成果，表明端面耦合技术已经并非“非常困难”了，同时也说明物理光学是发展十分活跃的学科。

2.结合科研成果丰富教学内容。教学是一项富有创造性的活动，但仅靠改进教学方法和积累教学经验是不够的，还需要科学研究。科研成果可以丰富教学内容，为教学提供学科发展的最新信息。教材一般都是从理论的角度去分析问题，比如物理光学教材中的棱镜耦合和波导传输模式，学生会觉得晦涩难懂。棱镜耦合法是利用高折射率的棱镜将光波从波导侧面射入并与导模之间进行相位匹配，以实现波导光激励的一种方法。教材对棱镜耦合的原理进行了细致地介绍并且推导了棱镜耦合仪工作的同步条件。但是，教材中只给出了棱镜耦合仪的原理图，而且推导过程学生也不容易理解。利用本课题组拥有美国Metricon公司的Model 2010棱镜耦合仪（如图1（a）所示）的优势，笔者向学生介绍了棱镜耦合仪的组成结构并且演示了其测量衬底折射率和波导暗模特性图的过程。更为重要的是，在课堂上，笔者分析了利用棱镜耦合仪测量的能量为4.5MeV、剂量为5.0×1014ions/cm2的N3+离子注入熔石英平面光波导在632.8nm波长下的暗模特性图（图1（b））。图中横坐标对应于入射光的有效折射率，纵坐标为从棱镜上反射光的相对强度。当光被耦合进波导区域时，反射光强就会降低而形成一个下降的“谷”，每一个谷代表一个模式。如图1（b）所示，共有七个下降峰，根据棱镜耦合的原理可知，前三个下降峰比较尖锐，应该对应着真正的波导导模；而后四个下降峰比较宽，我们认为是光在波导界面处发生多次反射，反射光之间相互干涉而形成的漏模。这样既丰富了教材上有关棱镜耦合儀的内容，又加深了学生对棱镜耦合仪的工作原理、测量过程及实验结果的理解。

另一方面，教材指出根据模式方程，光波在一定结构的波导表面上的入射角不同，存在着不同的传播模式。而且，教材中图2-34给出了传播模式TE0、TE1、TE2的光波在波导中所走的“Z”字形路径。这些图片只是原理示意图，并不是光波在波导中的实际传播情况。笔者在课堂上给出了利用端面耦合法测量的氮离子注入熔石英玻璃平面光波导的模式分布。模式的阶次数和输出光图形的断点数目相对应，一般在多模波导中激励起的导波光的情况下，随着光的入射条件不同，被激励起的模式数目以及各个模的强度也会发生变化。笔者增加的这部分研究内容有助于学生掌握波导的传播模式，引导学生掌握和探索学科前沿的动态与问题。

3.以科研实验室为平台培养学生学习物理光学的兴趣。传统的课堂教学具有知识体系严密和逻辑推理严谨等许多优点，但是同时也存在教学方法不够灵活、讲授不够生动形象等缺点。科研实验室具有先进的仪器设备，是从事科学研究的主战场，也是培养学生学习兴趣和创新意识的重要阵地。本实验室具备的棱镜耦合系统可用于测量波导的暗模特性，端面耦合系统可用于测量波导的近场光强分布，传输损耗测量系统可用于测量波导的传输损耗。这些仪器设备可以表征光波导的重要性能。物理光学第二章利用了较大的篇幅来介绍波导传输光的基本原理、波导的模式特性和波导的光耦合等内容。虽然教材对上述知识点进行了充分的讲解，但是学生没有直观的认识，感觉比较枯燥乏味，不能够很好地吸引学生的注意力。我们在阐述基本原理和理论知识的同时，将实际科研课题中的有关问题与物理光学课程中的知识点相结合，鼓励优秀学生走进实验室，参观和动手操作光学实验仪器。笔者利用自己在光波导方面长期积累的经验和实验室先进的光学仪器吸引学生走进自己的课题和实验室，让他们亲身体验光波导的制备流程和性能测试过程，启发学生利用物理光学尤其是薄膜波导中的知识点独立分析和解决实际科研问题，培养学生的创新意识和实践能力，增强学习物理光学的兴趣。

三、结论

笔者将科研成果氮离子注入熔石英平面光波导与物理光学中的薄膜波导知识点有机地结合起来，探讨了物理光学教材中的信息滞后问题，完善和丰富了物理光学的教学内容，并且通过引导学生走进科研实验室提高他们学习物理光学的兴趣。

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