超快光场与物质相互作用虚拟仿真实验平台

邓 莉，周科卫,1b，吕钎钎,1b，黄婉慧,1b，张汉中,1b，魏鸾仪,1b，杨 旭

(1.华东师范大学 a.物理与材料科学学院; b.孟宪承书院，上海 200241;2.安徽省科大奥瑞科技有限公司，安徽 合肥 230089)

随着近年信息科学的快速发展，高校教育领域提出了结合科学技术发展，创新教学模式的要求，各种虚拟仿真实验平台陆续出现、发展并得到运用. 其中，在大学物理光学实验领域，也有很多仿真软件，但大都局限于普通物理实验，而专业性较强的激光光谱学实验仿真软件，目前还没有. 在这种情况下，华东师范大学采用校企研发的方式，研发了超快光场与物质相互作用虚拟仿真实验平台，该平台不仅能完成超快光场、激光光谱学的相关教学实验，而且结合一些主流的教育教学原理，在完成实验仿真的基础上，通过补充实验器材内部结构示意图、创建实验教学网站、录制仿真实验演示视频等方式，搭建了较为完善的超快光场与物质相互作用实验教学平台. 在此平台上，学生可以了解激光器原理及操作、激光时频域及空间强度分布测量、超快激光脉冲测量物质超快动力学特性、物质高分辨率光谱测量等. 它既可以用于辅助诸如“激光原理”、“光谱测量技术”等理论课程的教学，也可以做实验教学的预习内容或补充内容.

1 光学实验仪器库的设计与实现

该平台首先对光学实验所需仪器进行虚拟模型的设计，包括激光光源、光学元件、仪器设备等. 并通过程序编写实现了这些虚拟模型的功能，使用者可在操作界面调用仪器元件，进行光路搭建，观测实验现象. 平台包含的仪器类别多、用途广、功能全面，是一个较完整的仪器库.

1.1 激光光源

该虚拟仿真平台设计了3种激光光源，分别为连续532 nm激光器、锁模钛宝石激光器和染料激光器，如图1所示. 连续532 nm激光器可做实验光源，也可以做锁模钛宝石激光器的泵浦光源，还可以改变染料激光器中的材料获得不同频率的光源，以满足实验光源需求. 同时在平台上，学生还能观察激光器的内部结构图，如图2所示，可以帮助学生更好地理解激光器的工作原理，加深理论知识的理解.

(a)连续532 nm激光器及其调节窗口

(b)锁模钛宝石激光器及其调节窗口

(c) 染料激光器及其调节窗口图1 激光光源

(a)连续532 nm激光器

(b)锁模钛宝石激光器

(c) 染料激光器图2 激光光源原理图

1.2 光学元件

平台提供了大量的光学元件，除了常规的透镜、反射镜、分光镜之外，还提供了带通滤光片、连续可调衰减片、偏振片、1/4波片等元件，以满足各种光路的元件需求.

带通滤光片是允许某频段的光通过，而滤掉其它频段的光波的元件，在实验中，需要根据波长选择带通滤光片，平台提供8个波段的带通滤光片，通带频段分布在400～850 nm范围间. 实验中可以调节带通滤光片对光强值的反射和折射的比值. 仪器中的透射系数=反射功率：折射功率，如图3(a)所示.

(a)带通滤波片

(b) 连续可调衰减片图3 光学元件

连续可调衰减片利用将吸收某个波长光的介质膜镀在玻璃上，通过介质膜对光的吸收，达到透过光功率的减弱的目的. 连续可调衰减片是连续改变介质膜的厚度达到连续改变透过光的功率，实现透过光从100%衰减至0%的功能. 如图3(b)所示,实验中通过调节衰减片的角度来改变光束处介质膜厚度，从而改变光透过率.

1.3 检测器件

对于数据的采集及处理，平台也设计了丰富的光检测器件模型，用于显示实验现象，提取、处理实验数据，如光纤探头、光纤光谱仪、光纤单色仪、硅探测器、光电探测器、示波器以及处理数据的计算机等.

如功率计，可以检测激光光束的功率. 利用功率计检测锁模钛宝石激光器出射光束功率的实验光路图及实验结果如图4所示，使用连续532 nm激光器出射光，经反射镜反射后入射至做钛宝石激光器，作为其泵浦光，产生超短脉冲激光，利用硅探测器接收激光，将信号传递给功率计，当连续532 nm激光器的功率为5 W时，测得超短脉冲激光光功率为225 mW.

(a)功率测量光路图

(b) 功率计读数图4 锁模钛宝石激光器出射光光功率测量图

利用光纤探头、光纤光谱仪以及计算机可以测量激光的频谱图. 锁模钛宝石激光器出射激光的光谱图测量光路以及其光谱图如图5所示，将光纤探头放置在激光光束上，连接光纤光谱仪，再将信号传递给计算机模型，在计算机上可以观察到激光的频谱图，从图中可以看出，锁模钛宝石激光器的中心波长为800 nm，频谱宽度为100 nm.

(a)激光频谱图测量光路

(b) 激光频谱图图5 锁模钛宝石激光器出射光频谱测量图

2 相关光学实验的设计与实现

运用仪器库中的光源、元件以及检测设备，可以搭建完整的实验光路，模拟激光光学领域的相关实验，并能观察现象，测量数据.

2.1 高斯光束的观察测量实验

激光器出射的激光光束，其光强在空间上呈高斯分布，实验中可通过平面CCD阵列探测激光光束的空间分布，并在计算机上显示出来. 在该虚拟平台中，打开连续532 nm激光器，利用一个凸透镜，一个凹透镜将其出射光束收束，便于测量. 然后在光路上放置一平面CCD阵列，并连接到虚拟计算机上，打开计算机相应软件，可观察到光束的强度分布，如图6所示. 光斑光强从内到外逐渐减弱，其空间光强值呈高斯分布.

图6 高斯光束观测图

2.2 自相关实验

脉冲强度自相关法是测量光脉冲宽度的典型技术. 在该平台中，可搭建如图7所示光路图，测量由自锁模钛宝石激光器产生的脉冲光宽度. 该激光光束经分束片分成2束，2光束偏振方向相互平行. 2束光分别经过固定光路与可变光学延迟线后非共线地聚焦到样品上. 图中的一维纳米平移台，如图8所示，就是可变延迟线，它的移动由计算机控制；BBO是倍频光学晶体，当2束激光的脉冲在BBO晶体内时间域完全重合时，可以产生自相关信号，此信号经由光电探测器接收，斩波器放置在其中一束光的光路上，斩波频率输入到锁相放大器作为参考频率，光电探测器将光信号转换为电信号，此电信号经过相放大器放大后，输入至计算机，通过移动一维纳米平移台获得激光脉冲的自相关实验信号，利用数据拟合得到激光脉冲的时域宽度. 信号如图9所示.

图7 自相关实验光路图

图8 一维纳米平移台

图9 自相关信号图

2.3 泵浦探测实验

泵浦-探测技术是研究半导体中光生载流子超快过程的主要手段. 在该平台上，也能搭建如图10的光路，测量样品的超快过程泵浦—探测信号. 飞秒激光脉冲由自锁模钛宝石激光器产生，经分束镜分成2束，分别作为泵浦和探测脉冲，偏振方向相互平行，光强比为5：1. 2束光分别经固定与可变光学延迟线后非共线地聚焦到样品上. 2束光分别经过固定光路与可变光学延迟线后非共线地聚焦到样品上. 当2束激光的脉冲在样品上时间域完全重合时，泵浦探测信号，探测光经由光电探测器接收，斩波器放置在光强较强的泵浦光的光路上，斩波频率输入到锁相放大器作为参考频率，光电探测器将光信号转换为电信号，此电信号经过相放大器放大后，输入至计算机，通过移动一维纳米平移台运动改变两脉冲的延迟时间获得样品的泵浦探测信号，如图11所示.

图10 泵浦-探测实验光路图

图11 泵浦-探测信号图

2.4 无多普勒展宽饱和吸收光谱测量实验

在虚拟仿真实验平台上搭建强度调制饱和吸收光谱的测量光路，如图12所示，通过计算机控制染料激光器内部的光栅，调谐输出激光波长，获得Ne原子气体样品的无多普勒展宽的光谱如图13所示，与多普勒展宽的荧光和激发光谱相比，很多精细结构都显现出来，由此反应出无多普勒展宽饱和吸收光谱的高分辨率.

图12 无多普勒展宽饱和吸收光谱测量实验光路图

图13 Ne原子气体样品的无多普勒展宽的光谱

3 自主化操作与讲义式网页设计

3.1 自主化操作设计

该实验程序只提供实验操作平面和所需器材，使用者需要根据所需完成的实验任务，通过老师教学或者实验预习的方式，在了解实验原理和方案的情况下，自行搭建光路，调整仪器状态参量，对相应的实验现象进行观测.

这种不存在任何建好的模型，完全自主化的操作设计，很大程度上还原了实际的实验操作环境. 在实验操作的自主化方面，甚至超越了传统的实验教学.

在现实实验室环境中，特别是激光实验，一些光路的精准度要求很高，很多实验室在学生实验操作之前，就已经由老师搭建好了光路，调节了各元件位置及参量. 学生进入实验室后，只需要打开电源，按照讲义改变实验条件，对现象进行观察测量，实验便完成了.

这种传统实验教学方法，虽然提高了学生实验的完成率，但学生的自主操作内容大大减少，其中包括激光起振、光路准直、光束的聚焦与扩束等基础实验技能. 而且当缺失的这一部分操作内容涉及到实验原理时，如果老师不做额外讲解和提醒，则缺失部分会对整个实验的理解和后续操作产生影响.

在学习过程中，学习材料(如已知条件，实验仪器)和学习结果(如某一结论或公式)之间是有一个逻辑加工过程的，这个过程就是利用以前有的知识结构，对现有信息进行加工，通过逻辑推理或论证，得出结论，若该结论得到认可，则会整合到已有的知识结构中去，这就是学习成果. 因此，学习结果是由每一个必不可少的信息综合起来，通过严密的逻辑加工所获得的. 如果缺少了其中某一个信息，则整个逻辑加工过程必然受到影响，在学生本人知识体系中，最后得出的结论的稳定度和可信度不高，难以被原有知识体系所接受，在建构主义的学习心理学观点下，如果学生缺少了概念认知和重组的过程，导致知识体系在实验前后未发生明显变化，学生的实验学习也就没了效果，从而使实验教学中这一部分的教学成果丢失.

该光学虚拟仿真平台采取完全自主化的操作设计，运用在实验教学方面时，有效避免了因传统实验教学而导致的某些教学成果的丢失. 平台根据以学生为中心教育理念，结合建构主义学习理论，让学生自己完成实验光路的搭建和现象的观察测量. 学生可以根据自己对实验的理解，尝试进行各种实验方案，直到搭建出正确的实验光路. 在这个过程中，学生需要知道每个器材在实验中的用处，即它会对实验造成怎样的影响，以及它的正确使用方法. 当学生掌握了这些并且按照正确的方式把他们组装起来的时候，才能达到实验条件，完成实验. 在整个过程中，学生不仅锻炼了基本实验技能，而且将仪器和原理联系起来，并运用到实验中去，这种教学方法属于实用教学，可以加深学生对理论知识的理解和记忆.

3.2 讲义式的网页设计

对于超快光场与物质相互作用虚拟仿真实验，不仅设计了仿真软件，同时创建了实验网页，如图14所示，与软件相结合形成了完整的虚拟仿真实验平台.

图14 实验网页

实验网页采用讲义式设计，包括“实验简介、实验原理、实验内容、实验仪器”等内容，对实验进行了各方位的描述，学生在进行仿真实验前，可以浏览相关内容，如同在实验前阅览实验教学讲义.

由于目前虚拟仿真实验尚未普及，许多学生可能没有接触过仿真实验，在进行仿真实验操作时，会产生“自己在机械的进行电脑操作，而非进行实验”的感觉，导致仿真实验的教学效果下降. 由于仿真实验本身特点的限制，这种现象难以得到实质性的解决. 因此，在实验网页的设计上，采用讲义式设计，让学生们进行仿真操作前预先浏览，由于学生在传统的实验课前习惯查阅实验讲义，所以讲义式的网页内容，可以将学生带入实验的氛围，将学生的思维模式转换为实验学习模式. 尽可能减小上述现象的影响.

另外，网页上还放置了实验演示视频，为学生展示了实验基本内容和大致的操作过程. 实验前，能让学生初步建立实验的大致过程，对实验有整体认识. 实验时，可以为实验步骤提供参考和对照. 实验结束后，又可将理论结果和实际结果相对照，形成学习反馈.

4 结束语

超快光场与物质相互作用虚拟仿真实验平台，通过光学仪器库的模型设计，及相关实验的仿真程序编辑，实现了超快光场与物质相互作用实验的虚拟仿真，同时将仿真程序软件与教学网页相结合，形成完整的实验教学平台. 结合该平台

运用到实际教学的情况调查及学生的意见反馈，接下来将就程序的修改完善、平台融入理论课程的教学模式和新实验内容的开发做进一步探索.