激光全息微结构制作的虚拟仿真与实体实验融合的教学实践

梁文耀，戚志明

(1.华南理工大学 物理与光电学院，广东 广州 510640；2.广东开放大学(广东理工职业学院)，广东 广州 510091)

实验教学是高等学校培养学生创新意识、创新思维和创新能力的重要阵地，是培养高水平创新型人才的重要手段[1-2].近代物理实验是面向应用物理、凝聚态物理等专业设置的综合性必修课程，内容主要是近代物理学上具有重要科学意义的经典实验，包括一些能够充分反映量子力学、相对论等领域的里程碑实验，物理思想精辟.然而，长期以来，近代物理实验的教学内容缺乏及时、有效的更新，难以反映当代物理学的发展前沿，并且传统的近代物理实验教学存在教学过程枯燥、教学手段落后、教学效果欠佳等不足，因此亟需探索新型的实验教学方法[3-6].

新形势下人才培养要求越来越高，高校纷纷加强物理实验建设.近年来，虚拟仿真技术的出现为高等教育的发展带来了重要契机，不仅深刻改变了传统的面授实验教学模式，而且为实验教学提供了先进的现代化教学手段，应用前景极其广阔.虚拟仿真实验是根据实验教学的基本要求，在计算机系统中通过虚拟仿真技术模拟真实的实验环境，以人机交互的方式，使学生像在真实的实验环境中一样，通过仿真实验平台中各种虚拟设备对实验对象进行虚拟操作，从而完成实验项目各项预定内容.将虚拟仿真技术引入近代物理实验课程的教学实践中，不仅可以克服近代物理实验存在的不足，而且有助于解决当前普遍存在的实验教育资源投入增加速度远远跟不上实际发展需要等问题，并可以为大学生创建全新的物理实验条件和环境[7].

国内外高校在虚拟仿真实验方面取得了重要进展.在美国，休斯顿大学、卡罗莱纳州立大学等高校开发的虚拟实验系统已投入实验教学，并发挥着重要作用.其中，休斯顿大学建立的“虚拟物理实验室”系统在虚拟实验仿真度、实验建模等方面处于领先地位[8]；卡罗莱纳州立大学利用Java建立的探究式虚拟仿真物理实验室允许学生不受时间、空间限制自主开展虚拟仿真实验，教学效果突出[9].在国内，许多高校也纷纷加强虚拟仿真在物理实验方面的建设，取得了明显成效[10-21].其中，浙江大学建设了基于Web的虚拟化学实验系统[10]；中国科学技术大学开发了虚拟仿真高危核物理实验等教学系统，有效降低了实验成本和实验风险[11]；东北大学开发了AR虚拟实验室[12]；华南理工大学加强了大学物理实验虚拟仿真的建设，取得了较好的效果[13-15].然而，尽管我国高校在虚拟仿真实验教学方面发展迅速，其建设仍存在一些问题：

1)虚拟仿真实验室仍处于从属地位，其发展在一定程度上受到传统实验教学模式的制约，未能充分发挥虚拟仿真实验教学的优势.

2)物理方面的虚拟仿真实验资源主要面向理工科专业的大学物理实验，而对专业必修课近代物理实验的投入极少.可见，近代物理实验在虚拟仿真开发方面还有巨大的发展空间.

3)已有的虚拟仿真实验大多基于Matlab,C++,Flash等软件开发[10,18,22-23]，其编程建模精度较低，开发效率不高，交互性有待进一步提升.

针对上述问题，本文结合光学领域研究热点之一的激光全息制作人工微结构理论[24-26]，开发人工微结构制作实验，并建设相应的虚拟仿真实验和实体实验平台，进一步将其纳入近代物理实验教学.以该实验为例开展虚实结合的近代物理实验教学实践，探索虚拟仿真教学手段在近代物理实验中的适用性和拓展性.这不仅能丰富近代物理实验的教学内容，还有助于学生开阔视野并提高自主主动探究科学问题的能力，虚实结合的新型物理实验教学方法，助力提升了近代物理实验教学效果.

1 多光束激光全息干涉法微结构制作的虚拟仿真和实体实验平台

1.1 理论基础

本实验涉及固体物理、光学和大学物理等知识，多光束干涉原理是激光全息法制作周期微结构的理论基础.设有同频率的N束等强度平面光发生干涉，其中第j束光的参量包括波矢kj、电矢量Ej(含振幅E和偏振方向ej)和初相位δi，则N束光干涉光强的空间分布为

(a)斜方晶格(|G31|≠|G23|,θ(G31, G23)≠90°)

1.2 虚拟仿真实验平台开发

虚拟仿真实验是指利用虚拟的实验仪器模拟实验操作的过程.根据上述多光束干涉理论，本文综合运用Unity,3Ds Max,C#等技术开发了周期微结构全息制作的虚拟仿真实验平台，如图2所示.

图2 虚拟仿真实验平台界面

在Unity环境中，运用CAD软件设计实验仪器模型，模拟实验环境.

1)通过建模、编程建立常用光学元件库.利用Solidworks设计实验仪器的反射镜、半透半反镜、光具座等基础模型，使用3Ds Max对其进行优化和UV展开，进一步使用Substance Painter进行模型贴图.以工业设计为基础,配合专业美工软件高精度还原实验模型.

2)结合532 nm半导体激光器性质，采用递归算法模拟激光的产生和传播.发射的特定频率激光束能够自动识别传播途中遇到的光具座，并根据光具座的性质，产生具有同样递归性质的新激光束，从而使得每一束新产生的模拟激光都具有独立性，且继承原激光束的激光特性，并能够根据使用者加入的光具座性质(如反射、透射等)自动演算后续的光路现象.

3)在上述基础上，调节各路模拟激光，使其会聚到空间特定位置，利用干涉光强空间分布公式计算其干涉图样，在屏幕上显示干涉结果及重要参量.

按照上述步骤完成虚拟仿真实验开发，根据需要将该虚拟仿真实验平台发布成exe可执行程序，用于电脑单机使用，同时也发布成WebGL程序，部署到校内服务器.学生可随时随地在校园网内访问服务器，进行在线虚拟实验操作，完成虚拟仿真实验学习，从而满足教师教学和学生学习的需要.

该虚拟仿真实验平台提供预设光路、自设光路2种模式，在打开激光器绿色开关时可以进行选择.预设模式供学生熟悉和预习虚拟实验；自设模式供学生自行开展虚拟实验和课外创新性研究.平台界面上包括实验介绍、实验步骤、实验结果、添加仪器、使用说明、处理要求等菜单：

a.实验介绍：介绍实验背景、特色和优点.

b.实验步骤：介绍实验的主要步骤.

c.实验结果：在显示器上给出多光束干涉图样，并给出关键的几何参量和最终计算得到的周期微结构的晶格常量.

d.添加仪器：提供了激光器、万向镜、分束镜、偏振片、显微物镜等一系列虚拟光学仪器，供学生在虚拟实验过程中根据需要选用.

e.使用说明：介绍了虚拟仿真平台的视角、前后左右控制,仪器的移动、旋转和交互等按键操作方法.

f.处理要求：介绍本实验的处理要求.

1.3 实体实验平台建设

进一步搭建相应微结构制作的实体实验平台，实验仪器设备包括激光器、可调衰减器、分光镜、万向镜、显微物镜、CCD及电脑系统等.在实验中采用工作波长为532 nm的单纵模连续半导体激光器作为实验光源，其输出功率约为60 mW，线宽小于1×10-5nm，偏振度大于100∶1，相干长度超过50 m，能够满足全息实验对光源的要求.由于激光输出功率较大，为防止激光危害，在激光器出口处放入连续可调滤波片以降低光强.

本文以二维三角晶格周期微结构制作为例进行说明，此时需要3束非共面激光参与干涉.如图3(a)所示，实验光路可进一步细分为平面和立体光路部分.平面光路将入射激光分为3束，立体光路(绿色箭头所示)将3束光分为上、下光路会聚于显微物镜入口处发生干涉.出射激光经可调滤波器衰减后，由第1个分束镜分为2束，其中，1束由万向镜反射至100倍显微物镜镜口处，为下光路光束a；另1束激光经第2个分光镜一分为二，再分别反射至显微物镜口，分别为上光路的光束b和下光路光束c.根据光束配置调整各光束传输方向，在显微物镜口会聚干涉，从而产生二维周期微结构图样.最后，进一步利用CCD采集微结构图像并传送至计算机进行分析.图3(b)为搭建的实体实验装置.

(a)实验光路图

2 虚拟仿真与实体实验融合教学实践

为方便教学管理，将本实验纳入近代物理实验课程教学，以该实验为例，根据虚拟仿真平台和实体实验的特点，在实验教学过程中，按照课前、课中、课后3个环节开展虚实融合实验教学实践，探索实体实验与虚拟仿真实验相结合的新型实验教学方法.

2.1 课前虚拟仿真实验预习

该虚拟仿真平台已经发布在学校教务处网站上，学生可在校内通过Firefox或Chrome浏览器直接访问.上课前，学生认真阅读实验讲义和有关资料，由学校网站进入虚拟仿真实验平台开展预习.首先选择预设模式，熟悉虚拟实验平台的基本操作、虚拟元件的使用方法和实验光路的调节技巧.然后选择自设模式，自行开展三角晶格微结构虚拟实验，具体步骤如下：

1)按照图1所示的三角晶格参量条件，根据固体物理的正、倒空间基矢关系，确定晶格类型和干涉光束波矢差的对应关系，作出光束配置图(即确定光束传播方向、夹角等).

2)绘制实验光路图，注意分为平面部分(分光部分)和立体部分光路(光束光路).

3)结合实验光路图，选取合适元件，在虚拟仿真平台上自行搭建实验光路.

4)初步调节光路，使从3个万向镜反射的光束在显微物镜入口处发生干涉.

5)采用控制变量法，挡住任何1束光，观察光束间干涉的结果，调节2束反射光a和c时挡住其余光束，调节光束参量达到最佳干涉状态，点击“实验结果”按钮，得到仿真结果及参量，截图保存；同理完成其他光束两两间的干涉调节，截图保存，最后得到3张干涉图样.

6)让3束光同时入射，点击“实验结果”图标，虚拟仿真界面上将出现三角晶格干涉图样，虚拟实验结果如图4所示，截图保存.

图4 三角晶格微结构虚拟仿真实验结果

7)分析虚拟仿真实验结果，了解和熟悉实验仪器的性能和基本操作步骤.总结预习过程中存在的问题，写好预习报告.

2.2 课中实体实验操作

课上学生结合虚拟仿真实验预习过程中的问题，在教师指导下开展实体实验，在实验操作中思考和解决问题.步骤如下：

1)按光束配置要求搭建实体实验光路；

2)通过CCD将显微物镜入口处产生的微结构干涉图样传输至计算机，利用配套软件Microvision MV Camera Performance实时观察干涉图样.

3)调整光路参量优化干涉微结构，以干涉图样对比度为目标优化参量，根据需要加入偏振片和1/4波片调节各光束的强度和偏振.调节光束干涉，以获得最高对比度的微结构图样，保存干涉图样.最后3束光同时入射在干涉区域产生二维微结构图案，如图5所示.

图5 三角晶格微结构实体实验结果

4)将微结构图样传送到计算机实时显示和调节，并将最优结果截图保存.在实体实验过程中，学生可根据需要随时登录虚拟仿真平台重复虚拟实验.通过虚实对比和真实的实验操作体验，深刻理解二维光子晶体微结构的实验原理和光路调节过程，快速掌握实验的设计思想和实验技能.

2.3 课后虚实实验报告总结与拓展

在课后阶段，学生完成实验报告，具体包括虚拟仿真和实体实验2大部分，并进行对比分析和总结.

对于虚拟实验部分，报告处理要求为：

1)将3张两两干涉截图和3光束干涉的最终微结构截图进行对比分析，理解周期微结构产生的物理机制.

2)利用虚拟仿真结果给出的空间坐标参量(即图4中的A,B,C,D4点)，利用几何关系计算周期微结构的晶格常量，具体计算方法见参考文献[15].总结周期微结构全息制作的影响因素及规律，分析实验参量对虚拟实验结果的影响.

对于实体实验部分，报告处理要求为：

1)分析两两干涉实验结果和周期微结构实验结果，掌握两两干涉图样如何叠加形成周期微结构.

2)讨论实验产生的周期微结构对比度的影响因素，总结周期微结构元胞形状的分布特点.

3)对比虚拟仿真实验结果和实体实验结果，分析实验规律和总结心得体会.

通过虚实结合的教学方法，深刻掌握不同维度、不同类型周期全息微结构的制作方法，理解全息干涉法在各种维度微结构制作方面的巨大潜力和方便、快捷等优点.

3 虚实结合实验教学实践效果分析

经过多年的教学实践，本实验采用的实体实验和虚拟仿真实验融合的教学模式取得了良好的教学效果，提高了学生的学习效率和动手操作能力，还在大学生课外创新方面取得了较好的效果.

以本实验为试点，在近代物理实验教学中引入虚拟仿真内容，按照课前、课中、课后3个阶段，科学安排虚拟仿真和实体实验教学内容，改变传统以教师为主导的“教师讲授-演示-学生操作”的教学模式.学生课前登录学校教务处网站的虚拟仿真实验平台自主开展课前预习，初步熟悉和了解仪器使用和实验光路.然后在课中阶段进行实体实验，针对预习中遇到的问题，在教师指导下搭建实验光路，开展实体实验操作.学生可以随时多次登录虚拟仿真平台，对比实体实验和虚拟仿真实验结果，通过思考，由浅入深地理解实验原理及其物理思想.

该虚实结合的实验教学提高了学生的学习效率和实验能力.利用该实验引导学生自行阅读实验教材或实验资料，应用虚拟仿真实验，将教材中不易理解、较抽象的实验内容进行形象化和图形化处理，进而展现在学生面前，使学生如临其境.学生在虚拟仿真平台上进行模拟操作，对相关实验内容反复操作，可积累经验，有效避免实体实验中的操作失误，提高实体实验效率，使学生获得实验成功的成就感，对提高学生的动手能力、实验分析能力和创造能力，促进学生养成良好的科学素养有重要意义.

依托该实验开展大学生课外创新实践研究，成效显著.本虚拟仿真实验平台具有很好的拓展性和开放性，可用于制作各种不同维度的周期微结构.由于实验条件所限，要研究更复杂的微结构，例如二维复式结构、三维周期微结构等，在实体实验中需要投入大量资金和搭建更复杂的光路，难以有效进行，而本虚拟仿真实验平台可以有效克服这些困难.

经过上述虚拟仿真和实体实验融合教学训练，学生已熟练掌握了多光束全息干涉法产生人工微结构的原理.可进一步结合自身兴趣，在教师指导下研究各种新颖的人工微结构全息制作问题，并充分利用该虚拟仿真实验平台开展创新性实验研究.2017年，物理实验中心依托该全息实验平台，指导3名本科生开展了“基于激光全息干涉和泰伯效应的光学晶格制作和测量”研究，在卓越大学联盟举办的首届“卓越杯”大学生物理实验竞赛中荣获一等奖，并参加了学校的创新创业活动月展示；2019年，带领本科生对虚拟仿真实验平台进行了改进，有关成果发表在《物理实验》上[14]；2021年，指导学生开展了多光束偏振组合对二维复式微结构影响的数值仿真研究，有关成果发表在《光学学报》上.以上充分表明该虚拟仿真和实体实验平台在大学生课外创新性研究中具有重要潜力.

4 结束语

结合本校的物理实验内容和设备现状，将激光全息法制作光子晶体人工微结构的虚拟仿真和实体实验纳入近代物理实验教学，并以该实验为试点开展了虚拟仿真与实体实验融合的教学实践，实现由传统面授为主向虚实融合信息化教学方法的转变，促进了物理实验教学的现代化改革.这不仅有助于提高学生对物理实验的兴趣，而且有利于培养学生的实验动手能力和主动探究科学问题的能力.此外，该实验通过虚拟仿真实验拓展了实验内容和实验广度，具有较高的开放性，为学生开展课外创新性实验研究提供了重要平台，实践效果显著.今后将进一步完善和丰富该实验平台的功能，探索推广虚实融合的实验教学方法，并继续依托该实验开展大学生课外创新实践.