科研儀器在光電信息科學(xué)與工程系專業(yè)實驗中的應(yīng)用

曹建軍

摘要：隨著光電信息領(lǐng)域近十幾年來的快速發(fā)展，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)迎來了更多的機(jī)遇。本專業(yè)不僅要求學(xué)生掌握扎實的理論知識，還需要學(xué)生具備實踐和創(chuàng)新能力。本文以江南大學(xué)理學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系為例，介紹科研儀器在創(chuàng)新教育與實驗教學(xué)中的應(yīng)用。結(jié)合科研儀器的先進(jìn)實驗教學(xué)將全面提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)，為社會培養(yǎng)更多創(chuàng)新型的人才。

Abstract： With the rapid development in the field of optoelectronic information over the past decade， the optoelectronic information science and engineering profession ushers in more opportunities. The major not only requires students to master a solid theoretical knowledge， but also requires students to have practical and innovative ability. This article takes the Department of Optoelectronic Information Science and Engineering of the School of Science of Jiangnan University as an example to introduce the application of scientific research instruments in innovative education and experimental teaching. The advanced experimental teaching that applies scientific research instruments will comprehensively improve the overall quality of college students and train more innovative talents for the society.

關(guān)鍵詞：科研儀器；專業(yè)實驗；光電信息科學(xué)與工程

Key words： scientific research instruments；Professional Experiments；optoelectronic information science and engineering

中圖分類號：E933.43 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）21-0236-02

0 引言

隨著光電信息領(lǐng)域近十幾年來在平板顯示、機(jī)器視覺、生物探測、量子通信和量子計算等方面的高速發(fā)展，光學(xué)相關(guān)產(chǎn)業(yè)正在占據(jù)越來越大的市場分額，光電信息科學(xué)與工程專業(yè)迎來了更多的機(jī)遇。目前，國內(nèi)有100多所高校開設(shè)了這個專業(yè)，其中江蘇省就有十幾所，如南京大學(xué)、南京理工大學(xué)、蘇州大學(xué)和江南大學(xué)等。該專業(yè)主要學(xué)習(xí)光學(xué)、機(jī)械學(xué)、電子學(xué)及計算機(jī)科學(xué)基礎(chǔ)理論及專業(yè)知識。要求學(xué)生了解光電信息技術(shù)的前沿理論，把握當(dāng)代光電信息技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，具有研究開發(fā)新系統(tǒng)、新技術(shù)的能力，接受現(xiàn)代光電信息技術(shù)的應(yīng)用訓(xùn)練，掌握光電信息領(lǐng)域中光電儀器的設(shè)計及制造方法，具有在光電信息工程及相關(guān)領(lǐng)域從事科研、教學(xué)、開發(fā)的基本能力。為了達(dá)到這樣的培養(yǎng)要求，本專業(yè)不僅要開設(shè)高質(zhì)量的理論課程，還需要開設(shè)較多的實驗課程，以增強(qiáng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。但總的來說，目前各高校在實驗教學(xué)中使用的一般是教學(xué)示范類的實驗儀器，這些儀器存在測量精度低、功能單一、落后于現(xiàn)代科技的缺點。使用這些儀器只能開展驗證性和綜合性的實驗，極大的限制了學(xué)生創(chuàng)新能力和實踐能力的培養(yǎng)。

1 科研儀器在實驗中應(yīng)用的現(xiàn)狀

科研儀器是“雙一流”高校優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源，是進(jìn)行高水平實驗教學(xué)和科學(xué)研究的重要工具，也是高等學(xué)校辦學(xué)實力和科研水平的重要標(biāo)志。目前很多高校已經(jīng)開展了科研儀器在教學(xué)中應(yīng)用的探索研究工作[1-3]。北京工業(yè)大學(xué)和上海交通大學(xué)針對本科教學(xué)，開展了多種與大型儀器相關(guān)的必修課、選修課、創(chuàng)新實踐課、相關(guān)應(yīng)用及競賽等[4]。浙江大學(xué)國家力學(xué)實驗教學(xué)示范中心從科研儀器設(shè)備資源共享、實驗室開放式管理、提高實驗技術(shù)人員綜合素質(zhì)以及結(jié)合科研模式等方面闡述加強(qiáng)科研儀器設(shè)備在創(chuàng)新實驗教學(xué)中的應(yīng)用[5]。

江南大學(xué)所處的無錫為長三角經(jīng)濟(jì)圈的中心地帶，聚集了大量的激光技術(shù)、光電通信技術(shù)、光伏太陽能、LED照明與能源、光電子材料與光電元器件等方面的企業(yè)，這給本專業(yè)的發(fā)展帶來了極大的機(jī)遇，也給本專業(yè)學(xué)生的就業(yè)與創(chuàng)業(yè)提供了廣闊的平臺。據(jù)學(xué)工老師反饋，光電專業(yè)學(xué)生每年有近80%在長三角地區(qū)的相關(guān)企業(yè)就業(yè)。然而，目前光電領(lǐng)域從業(yè)的高學(xué)歷人員人數(shù)遠(yuǎn)達(dá)不到行業(yè)的需求，長三角地區(qū)的光電企業(yè)急需高校培養(yǎng)專業(yè)基礎(chǔ)扎實、能快速適應(yīng)行業(yè)要求、具有創(chuàng)新精神的高級技術(shù)人才。

2 科研儀器在光電系實驗教學(xué)中應(yīng)用的實踐

本文將以江南大學(xué)理學(xué)院光電信息科學(xué)與工程系為例，介紹科研儀器在創(chuàng)新教育與實驗教學(xué)中的應(yīng)用。科研儀器價格昂貴、操作較為復(fù)雜，需要開設(shè)專門的實驗課程讓學(xué)生掌握正確的操作方法和使用注意事項。在能夠熟練使用儀器的基礎(chǔ)上進(jìn)行探索性的實驗?？蒲袃x器具有極高的測量精度，這些高水平的實驗可以提高學(xué)生的精密操作能力和對實驗現(xiàn)象的深入理解，為以后的工作和學(xué)習(xí)鋪平道路。近年來，本專業(yè)特別重視學(xué)生實踐和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，為此開設(shè)了專業(yè)實訓(xùn)課程，在這些實訓(xùn)課程中已經(jīng)將部分科研儀器應(yīng)用到了教學(xué)中并取得了很好的效果。

2.1 真空鍍膜實驗

真空鍍鋁始于1933年，是真空鍍膜研究最早的領(lǐng)域。真空鍍鋁從實驗室逐步達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模，從制鏡工業(yè)發(fā)展到光學(xué)制品、電子部件、鋼板鍍鋁以及塑料制品鍍鋁等工業(yè)，發(fā)展?jié)摿O大。近年來，塑料薄膜鍍鋁技術(shù)在各種領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，包括輕紡、電子部件、包裝、印刷、裝飾與建筑材料等等，深受國內(nèi)外的普遍重視。我國有些單位也開始開展相關(guān)研究工作，但遇到了許多諸如設(shè)備、工藝、材料等問題，尤其是涉及真空鍍鋁基礎(chǔ)性問題的技術(shù)難關(guān)，影響真空鍍鋁工業(yè)的發(fā)展。本實驗通過使用真空鍍膜設(shè)備，讓學(xué)生掌握真空鍍鋁的基本技術(shù)。

2.2 半導(dǎo)體光電器件制備工藝實驗

利用磁控濺射開展氧化物和氮化物半導(dǎo)體材料的物理生長，研究材料的濺射生長原理和生長參數(shù)對于材料的影響。通過基本的表征手段了解半導(dǎo)體材料的晶體結(jié)構(gòu)，缺陷態(tài)種類和材料的電學(xué)性質(zhì)。開展半導(dǎo)體薄膜材料上的光電器件制備，在不同工藝過程中分析器件制造的結(jié)構(gòu)設(shè)計。利用磁控濺射進(jìn)行半導(dǎo)體光電器件的歐姆接觸和肖特基接觸的電極制備，探索不同金屬在半導(dǎo)體上形成的接觸特性，以及形成的光電器件結(jié)構(gòu)的基本光電性能的測試。

2.3 納秒激光損傷閾值測試實驗

當(dāng)激光對透明的材料發(fā)生消融作用時，到達(dá)樣品表面的能量被吸收，傳導(dǎo)以及反射都取決于材料的特性，而這部分被吸收的光將會導(dǎo)致這種透明材料的線性或者非線性的消融。一般公認(rèn)的無缺陷電介質(zhì)的體損傷是由激光光束經(jīng)由電子以及原子的振動激發(fā)來對樣品產(chǎn)生消融作用。如果電場超過了一個關(guān)鍵值，將會引起快速電離以及等離子體的形成。當(dāng)自由電子的密度超過了建立等離子體的閾值，那么材料將會發(fā)生不可逆的損傷消融。材料損傷閾值的測定對于利用激光消融來對材料進(jìn)行精細(xì)加工有著重要作用。

2.4 表面等離子體傳感器實驗

金屬表面等離子體共振現(xiàn)象對金屬表面物質(zhì)的折射率具有極高的靈敏度。最早提出的等離子體折射率測量裝置是利用棱鏡耦合的，這種方法測量精度極高，但是由于結(jié)構(gòu)中使用了棱鏡，體積較大。另一種方法是用光柵把入射光耦合到金屬中產(chǎn)生表面等離子體共振，從而測量折射率，這種方法具有可高度集成的優(yōu)點，與當(dāng)今器件的微型化趨勢吻合。本實驗使用金屬光柵為主要器件搭建一套折射率測量裝置。測量時采用兩種不同的方法，一種是以白光作為光源，光纖光譜儀作為探測器，通過光譜漂移量確定液體折射率；另一種是以激光二極管作為光源，光電二極管作為探測器，通過測量光強(qiáng)變化確定液體折射率。

3 科研儀器在大學(xué)生創(chuàng)新項目、光電競賽和畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

僅在課堂實驗教學(xué)中教會學(xué)生使用科研儀器的使用方法仍然不能激發(fā)學(xué)生主動思考和獨立完成課題的能力。課堂的時間是有限的，即使是專業(yè)實訓(xùn)課程最多也不超過8小時，而一個完整的科學(xué)實驗需要長時間的積累。這里可以借助大學(xué)生創(chuàng)新項目、全國大學(xué)生光電競賽和本科畢業(yè)設(shè)計等讓學(xué)生們自由組隊參與一項系統(tǒng)的設(shè)計型、研究型實驗，讓學(xué)生自由設(shè)計實驗方案，培養(yǎng)他們的設(shè)計能力和創(chuàng)新精神。

4 結(jié)束語

光電系的學(xué)生畢業(yè)后大多在企業(yè)從事研發(fā)和設(shè)備維護(hù)工作，或者進(jìn)入高校和研究所進(jìn)一步深造。在這些工作和學(xué)習(xí)中，需要使用和研發(fā)現(xiàn)代化儀器。學(xué)生通過接觸先進(jìn)的科研儀器，可以掌握學(xué)科研究和應(yīng)用的前沿動態(tài)。新穎的實驗內(nèi)容可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情，提高教學(xué)效果?？b密的科研實驗過程可以培養(yǎng)學(xué)生一絲不茍的工作態(tài)度和邏輯思維能力。開放式的實驗結(jié)果可以激發(fā)學(xué)生勇于探索的精神和創(chuàng)新能力。結(jié)合科研儀器的先進(jìn)實驗教學(xué)將全面提高大學(xué)生的綜合素質(zhì)，為社會培養(yǎng)更多創(chuàng)新型人才。

參考文獻(xiàn)：

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