科研成果在物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

劉春曉

摘要：本文把離子注入熔石英光波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果應(yīng)用到薄膜波導(dǎo)的教學(xué)過程中，在此基礎(chǔ)上對(duì)科研成果如何服務(wù)于物理光學(xué)教學(xué)進(jìn)行了探索和實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：物理光學(xué)；科研成果；光波導(dǎo)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2017）06-0163-02

物理光學(xué)是光電子技術(shù)、光學(xué)工程和光信息科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)的基礎(chǔ)課程。它以光的電磁理論為理論基礎(chǔ)，重點(diǎn)介紹光在各向同性介質(zhì)和各向異性介質(zhì)中的傳播規(guī)律。通過該課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠從物理本質(zhì)上分析和理解光學(xué)現(xiàn)象與規(guī)律，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)以及今后從事相關(guān)研究和工作奠定堅(jiān)實(shí)的光學(xué)基礎(chǔ)。以科研促進(jìn)教學(xué)是提高大學(xué)教學(xué)質(zhì)量的重要途徑?！督逃筷P(guān)于全面提高高等教育質(zhì)量的若干意見》明確指出要?jiǎng)?chuàng)新人才培養(yǎng)模式，促進(jìn)科研與教學(xué)互動(dòng)，及時(shí)把科研成果轉(zhuǎn)化為教學(xué)內(nèi)容。本文首先簡(jiǎn)要地介紹了氮離子注入熔石英玻璃光波導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后就科研成果有助于更新和豐富教學(xué)內(nèi)容、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣等方面詳細(xì)闡述了如何把筆者的科研成果離子注入熔石英光波導(dǎo)應(yīng)用于物理光學(xué)中薄膜波導(dǎo)的教學(xué)之中。

一、氮離子注入熔石英光波導(dǎo)的研究結(jié)果

在熔石英玻璃上，利用能量是4.5 MeV、劑量為5.0×1014 ions/cm2的N3+離子注入技術(shù)制備了平面光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。采用Metricon Model 2010棱鏡耦合儀測(cè)量了632.8 nm和1539 nm波長(zhǎng)下的熔石英的襯底折射率和波導(dǎo)的暗模特性圖。通過反射計(jì)算法重構(gòu)的波導(dǎo)折射率分布是典型的“光學(xué)位壘+增強(qiáng)勢(shì)阱”型分布。端面耦合法測(cè)得的波導(dǎo)中的傳輸模式和有限差分光束傳輸法擬合的結(jié)果相一致，使用背反射法測(cè)得波導(dǎo)的傳輸損耗為1.03 dB/cm，表明氮離子注入熔石英光波導(dǎo)具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。

二、離子注入光波導(dǎo)在物理光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.基于科研成果解決教材信息滯后的問題。21世紀(jì)是光子的世紀(jì)，包括物理光學(xué)在內(nèi)的光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展日新月異，科研人員攻克了一個(gè)又一個(gè)科學(xué)技術(shù)難題。但是，教材的編寫和出版具有一定的周期性，不能適時(shí)地反映科技的最新進(jìn)展。在教材編寫時(shí)的一個(gè)技術(shù)瓶頸，可能在教材出版時(shí)已經(jīng)被解決。物理光學(xué)教材在“薄膜波導(dǎo)的光耦合”中提到“由于薄膜非常薄，要想把外來光直接射入薄膜，并使入射光波與薄膜波導(dǎo)中一定模式相匹配，是非常困難的”。其實(shí)，這是光波導(dǎo)的端面耦合過程，它是在與波導(dǎo)光行進(jìn)方向垂直的波導(dǎo)端面上，射入其場(chǎng)分布狀態(tài)接近導(dǎo)模場(chǎng)分布的光波。在通常的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)層的厚度只有幾個(gè)微米，若要把光波有效地耦合進(jìn)尺寸這么小的波導(dǎo)區(qū)域之中，對(duì)于波導(dǎo)端面的平整程度和位置調(diào)整的要求極其嚴(yán)格。但是，近年來光學(xué)拋光技術(shù)和光學(xué)精密調(diào)整臺(tái)得到了快速發(fā)展。Lapmaster DSG拋光機(jī)可使樣品的表面光潔度小于0.25微米，Thorlabs的六軸NanoMax擾性位移臺(tái)可達(dá)到納米定位。因此，端面耦合問題已經(jīng)得到了解決，不再是“非常困難”。包括筆者在內(nèi)的國內(nèi)外的研究人員多次報(bào)道了利用端面耦合技術(shù)測(cè)量了波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布。本課題組的端面耦合系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置，它主要由光源（一般為氦氖激光器）、顯微物鏡、精密調(diào)整架和CCD成像設(shè)備等組成。我們利用該端面耦合系統(tǒng)研究了能量是4.5 MeV、劑量為5.0×1014 ions/cm2的N3+離子注入熔石英玻璃形成的平面光波導(dǎo)在632.8 nm波長(zhǎng)下的近場(chǎng)光強(qiáng)分布。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以傳輸632.8 nm波長(zhǎng)的光。在課堂上，我們展示了這一科研成果，表明端面耦合技術(shù)已經(jīng)并非“非常困難”了，同時(shí)也說明物理光學(xué)是發(fā)展十分活躍的學(xué)科。

2.結(jié)合科研成果豐富教學(xué)內(nèi)容。教學(xué)是一項(xiàng)富有創(chuàng)造性的活動(dòng)，但僅靠改進(jìn)教學(xué)方法和積累教學(xué)經(jīng)驗(yàn)是不夠的，還需要科學(xué)研究?？蒲谐晒梢载S富教學(xué)內(nèi)容，為教學(xué)提供學(xué)科發(fā)展的最新信息。教材一般都是從理論的角度去分析問題，比如物理光學(xué)教材中的棱鏡耦合和波導(dǎo)傳輸模式，學(xué)生會(huì)覺得晦澀難懂。棱鏡耦合法是利用高折射率的棱鏡將光波從波導(dǎo)側(cè)面射入并與導(dǎo)模之間進(jìn)行相位匹配，以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)光激勵(lì)的一種方法。教材對(duì)棱鏡耦合的原理進(jìn)行了細(xì)致地介紹并且推導(dǎo)了棱鏡耦合儀工作的同步條件。但是，教材中只給出了棱鏡耦合儀的原理圖，而且推導(dǎo)過程學(xué)生也不容易理解。利用本課題組擁有美國Metricon公司的Model 2010棱鏡耦合儀（如圖1（a）所示）的優(yōu)勢(shì)，筆者向?qū)W生介紹了棱鏡耦合儀的組成結(jié)構(gòu)并且演示了其測(cè)量襯底折射率和波導(dǎo)暗模特性圖的過程。更為重要的是，在課堂上，筆者分析了利用棱鏡耦合儀測(cè)量的能量為4.5MeV、劑量為5.0×1014ions/cm2的N3+離子注入熔石英平面光波導(dǎo)在632.8nm波長(zhǎng)下的暗模特性圖（圖1（b））。圖中橫坐標(biāo)對(duì)應(yīng)于入射光的有效折射率，縱坐標(biāo)為從棱鏡上反射光的相對(duì)強(qiáng)度。當(dāng)光被耦合進(jìn)波導(dǎo)區(qū)域時(shí)，反射光強(qiáng)就會(huì)降低而形成一個(gè)下降的“谷”，每一個(gè)谷代表一個(gè)模式。如圖1（b）所示，共有七個(gè)下降峰，根據(jù)棱鏡耦合的原理可知，前三個(gè)下降峰比較尖銳，應(yīng)該對(duì)應(yīng)著真正的波導(dǎo)導(dǎo)模；而后四個(gè)下降峰比較寬，我們認(rèn)為是光在波導(dǎo)界面處發(fā)生多次反射，反射光之間相互干涉而形成的漏模。這樣既豐富了教材上有關(guān)棱鏡耦合儀的內(nèi)容，又加深了學(xué)生對(duì)棱鏡耦合儀的工作原理、測(cè)量過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理解。

另一方面，教材指出根據(jù)模式方程，光波在一定結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)表面上的入射角不同，存在著不同的傳播模式。而且，教材中圖2-34給出了傳播模式TE0、TE1、TE2的光波在波導(dǎo)中所走的“Z”字形路徑。這些圖片只是原理示意圖，并不是光波在波導(dǎo)中的實(shí)際傳播情況。筆者在課堂上給出了利用端面耦合法測(cè)量的氮離子注入熔石英玻璃平面光波導(dǎo)的模式分布。模式的階次數(shù)和輸出光圖形的斷點(diǎn)數(shù)目相對(duì)應(yīng)，一般在多模波導(dǎo)中激勵(lì)起的導(dǎo)波光的情況下，隨著光的入射條件不同，被激勵(lì)起的模式數(shù)目以及各個(gè)模的強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。筆者增加的這部分研究?jī)?nèi)容有助于學(xué)生掌握波導(dǎo)的傳播模式，引導(dǎo)學(xué)生掌握和探索學(xué)科前沿的動(dòng)態(tài)與問題。

3.以科研實(shí)驗(yàn)室為平臺(tái)培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)物理光學(xué)的興趣。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)具有知識(shí)體系嚴(yán)密和邏輯推理嚴(yán)謹(jǐn)?shù)仍S多優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也存在教學(xué)方法不夠靈活、講授不夠生動(dòng)形象等缺點(diǎn)?？蒲袑?shí)驗(yàn)室具有先進(jìn)的儀器設(shè)備，是從事科學(xué)研究的主戰(zhàn)場(chǎng)，也是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新意識(shí)的重要陣地。本實(shí)驗(yàn)室具備的棱鏡耦合系統(tǒng)可用于測(cè)量波導(dǎo)的暗模特性，端面耦合系統(tǒng)可用于測(cè)量波導(dǎo)的近場(chǎng)光強(qiáng)分布，傳輸損耗測(cè)量系統(tǒng)可用于測(cè)量波導(dǎo)的傳輸損耗。這些儀器設(shè)備可以表征光波導(dǎo)的重要性能。物理光學(xué)第二章利用了較大的篇幅來介紹波導(dǎo)傳輸光的基本原理、波導(dǎo)的模式特性和波導(dǎo)的光耦合等內(nèi)容。雖然教材對(duì)上述知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了充分的講解，但是學(xué)生沒有直觀的認(rèn)識(shí)，感覺比較枯燥乏味，不能夠很好地吸引學(xué)生的注意力。我們?cè)陉U述基本原理和理論知識(shí)的同時(shí)，將實(shí)際科研課題中的有關(guān)問題與物理光學(xué)課程中的知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合，鼓勵(lì)優(yōu)秀學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，參觀和動(dòng)手操作光學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。筆者利用自己在光波導(dǎo)方面長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)的光學(xué)儀器吸引學(xué)生走進(jìn)自己的課題和實(shí)驗(yàn)室，讓他們親身體驗(yàn)光波導(dǎo)的制備流程和性能測(cè)試過程，啟發(fā)學(xué)生利用物理光學(xué)尤其是薄膜波導(dǎo)中的知識(shí)點(diǎn)獨(dú)立分析和解決實(shí)際科研問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，增強(qiáng)學(xué)習(xí)物理光學(xué)的興趣。

三、結(jié)論

筆者將科研成果氮離子注入熔石英平面光波導(dǎo)與物理光學(xué)中的薄膜波導(dǎo)知識(shí)點(diǎn)有機(jī)地結(jié)合起來，探討了物理光學(xué)教材中的信息滯后問題，完善和豐富了物理光學(xué)的教學(xué)內(nèi)容，并且通過引導(dǎo)學(xué)生走進(jìn)科研實(shí)驗(yàn)室提高他們學(xué)習(xí)物理光學(xué)的興趣。

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