科研成果在物理光學教學中的應用

劉春曉

摘要：本文把離子注入熔石英光波導的實驗研究結果應用到薄膜波導的教學過程中，在此基礎上對科研成果如何服務于物理光學教學進行了探索和實踐。

關鍵詞：物理光學；科研成果；光波導

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）06-0163-02

物理光學是光電子技術、光學工程和光信息科學與技術等專業的基礎課程。它以光的電磁理論為理論基礎，重點介紹光在各向同性介質和各向異性介質中的傳播規律。通過該課程的學習，學生能夠從物理本質上分析和理解光學現象與規律，為后續課程的學習以及今后從事相關研究和工作奠定堅實的光學基礎。以科研促進教學是提高大學教學質量的重要途徑。《教育部關于全面提高高等教育質量的若干意見》明確指出要創新人才培養模式，促進科研與教學互動，及時把科研成果轉化為教學內容。本文首先簡要地介紹了氮離子注入熔石英玻璃光波導的實驗結果，然后就科研成果有助于更新和豐富教學內容、提高學生的學習興趣等方面詳細闡述了如何把筆者的科研成果離子注入熔石英光波導應用于物理光學中薄膜波導的教學之中。

一、氮離子注入熔石英光波導的研究結果

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+離子注入技術制備了平面光波導結構。采用Metricon Model 2010棱鏡耦合儀測量了632.8 nm和1539 nm波長下的熔石英的襯底折射率和波導的暗模特性圖。通過反射計算法重構的波導折射率分布是典型的“光學位壘+增強勢阱”型分布。端面耦合法測得的波導中的傳輸模式和有限差分光束傳輸法擬合的結果相一致，使用背反射法測得波導的傳輸損耗為1.03 dB/cm，表明氮離子注入熔石英光波導具有潛在的應用價值。

二、離子注入光波導在物理光學教學中的應用

1.基于科研成果解決教材信息滯后的問題。21世紀是光子的世紀，包括物理光學在內的光學領域發展日新月異，科研人員攻克了一個又一個科學技術難題。但是，教材的編寫和出版具有一定的周期性，不能適時地反映科技的最新進展。在教材編寫時的一個技術瓶頸，可能在教材出版時已經被解決。物理光學教材在“薄膜波導的光耦合”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中一定模式相匹配，是非常困難的”。其實，這是光波導的端面耦合過程，它是在與波導光行進方向垂直的波導端面上，射入其場分布狀態接近導模場分布的光波。在通常的波導結構中，波導層的厚度只有幾個微米，若要把光波有效地耦合進尺寸這么小的波導區域之中，對于波導端面的平整程度和位置調整的要求極其嚴格。但是，近年來光學拋光技術和光學精密調整臺得到了快速發展。Lapmaster DSG拋光機可使樣品的表面光潔度小于0.25微米，Thorlabs的六軸NanoMax擾性位移臺可達到納米定位。因此，端面耦合問題已經得到了解決，不再是“非常困難”。包括筆者在內的國內外的研究人員多次報道了利用端面耦合技術測量了波導的近場光強分布。本課題組的端面耦合系統的實驗裝置，它主要由光源（一般為氦氖激光器）、顯微物鏡、精密調整架和CCD成像設備等組成。我們利用該端面耦合系統研究了能量是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在632.8 nm波長下的近場光強分布。實驗結果顯示該平面波導結構可以傳輸632.8 nm波長的光。在課堂上，我們展示了這一科研成果，表明端面耦合技術已經并非“非常困難”了，同時也說明物理光學是發展十分活躍的學科。

2.結合科研成果豐富教學內容。教學是一項富有創造性的活動，但僅靠改進教學方法和積累教學經驗是不夠的，還需要科學研究。科研成果可以豐富教學內容，為教學提供學科發展的最新信息。教材一般都是從理論的角度去分析問題，比如物理光學教材中的棱鏡耦合和波導傳輸模式，學生會覺得晦澀難懂。棱鏡耦合法是利用高折射率的棱鏡將光波從波導側面射入并與導模之間進行相位匹配，以實現波導光激勵的一種方法。教材對棱鏡耦合的原理進行了細致地介紹并且推導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，而且推導過程學生也不容易理解。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）的優勢，筆者向學生介紹了棱鏡耦合儀的組成結構并且演示了其測量襯底折射率和波導暗模特性圖的過程。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在632.8nm波長下的暗模特性圖（圖1（b））。圖中橫坐標對應于入射光的有效折射率，縱坐標為從棱鏡上反射光的相對強度。當光被耦合進波導區域時，反射光強就會降低而形成一個下降的“谷”，每一個谷代表一個模式。如圖1（b）所示，共有七個下降峰，根據棱鏡耦合的原理可知，前三個下降峰比較尖銳，應該對應著真正的波導導模；而后四個下降峰比較寬，我們認為是光在波導界面處發生多次反射，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棱鏡耦合儀的內容，又加深了學生對棱鏡耦合儀的工作原理、測量過程及實驗結果的理解。

另一方面，教材指出根據模式方程，光波在一定結構的波導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，并不是光波在波導中的實際傳播情況。筆者在課堂上給出了利用端面耦合法測量的氮離子注入熔石英玻璃平面光波導的模式分布。模式的階次數和輸出光圖形的斷點數目相對應，一般在多模波導中激勵起的導波光的情況下，隨著光的入射條件不同，被激勵起的模式數目以及各個模的強度也會發生變化。筆者增加的這部分研究內容有助于學生掌握波導的傳播模式，引導學生掌握和探索學科前沿的動態與問題。

3.以科研實驗室為平臺培養學生學習物理光學的興趣。傳統的課堂教學具有知識體系嚴密和邏輯推理嚴謹等許多優點，但是同時也存在教學方法不夠靈活、講授不夠生動形象等缺點。科研實驗室具有先進的儀器設備，是從事科學研究的主戰場，也是培養學生學習興趣和創新意識的重要陣地。本實驗室具備的棱鏡耦合系統可用于測量波導的暗模特性，端面耦合系統可用于測量波導的近場光強分布，傳輸損耗測量系統可用于測量波導的傳輸損耗。這些儀器設備可以表征光波導的重要性能。物理光學第二章利用了較大的篇幅來介紹波導傳輸光的基本原理、波導的模式特性和波導的光耦合等內容。雖然教材對上述知識點進行了充分的講解，但是學生沒有直觀的認識，感覺比較枯燥乏味，不能夠很好地吸引學生的注意力。我們在闡述基本原理和理論知識的同時，將實際科研課題中的有關問題與物理光學課程中的知識點相結合，鼓勵優秀學生走進實驗室，參觀和動手操作光學實驗儀器。筆者利用自己在光波導方面長期積累的經驗和實驗室先進的光學儀器吸引學生走進自己的課題和實驗室，讓他們親身體驗光波導的制備流程和性能測試過程，啟發學生利用物理光學尤其是薄膜波導中的知識點獨立分析和解決實際科研問題，培養學生的創新意識和實踐能力，增強學習物理光學的興趣。

三、結論

筆者將科研成果氮離子注入熔石英平面光波導與物理光學中的薄膜波導知識點有機地結合起來，探討了物理光學教材中的信息滯后問題，完善和豐富了物理光學的教學內容，并且通過引導學生走進科研實驗室提高他們學習物理光學的興趣。

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