激光光譜實驗室在本科教學中的作用研究

[摘 要] 沒有一流的實驗室就沒有一流的大學，沒有一流的大學就很難培養一流的人才。高校科研實驗室在高等院校的發展過程和創新型人才的培養方面有著極其重要的地位和作用，而實驗室儀器設備又是實驗室的重要組成部分。近年來，隨著國家對科研的重視和各高校科研水平的提高，國家和高校對實驗室建設投入力度也在不斷地加大，大型科研設備在高校科研中的使用率已經達到很高的水平，但是在本科教學能力培養中的應用率仍然有待提高。在怎樣合理的教學中運用大型科研設備來培養學生的實驗能力、實踐能力和技術水平是當代高校應該考慮和規劃的一個新問題。以激光光譜實驗室為例，探討高校大型科研設備實驗室在本科教學中發揮作用較具針對性和必要性。

[關鍵詞] 激光光譜;實驗室;本科教學;高校

[基金項目] 新疆師范大學本科教學質量工程建設教學研究與改革項目（SDJG2019-27）

[作者簡介] 布瑪麗亞·阿布力米提（1984—），女（維吾爾族），新疆阿圖什人，博士（后），新疆師范大學物理與電子工程學院副教授，研究方向：超快激光光譜（通訊作者）。

[中圖分類號] G482? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）19-0339-02? ? [收稿日期] 2020-02-05

一、引言

隨著我國科研工作的扎實推進，高校科研水平也加速提高，大型的實驗科研儀器已經成為高校實驗教學和科學研究所必不可少的基礎設施保障。同時，大型儀器的使用率和先進程度也都成為高校教學科研能力、科研水平和綜合實力的重要標志之一。但由于大型科研設備價格昂貴，操作復雜，大型儀器基本上只用于科研人員的科學研究，很少對本科生開放，在本科教學中發揮的作用不夠充分。

二、大型科研設備在本科人才培養中的作用

大學生參與大型科研設備的操作過程，不僅可以激發學生對科研的興趣，激發學生通過考研究生繼續參加科研過程的動力，還可以提高本科生的動手能力，這樣可以使學生在就業時有一定的競爭力，還可以讓學生增加就業選擇，如果學生熟練掌握激光光譜實驗的操作過程和原理可以在醫療、藥物、食品檢測部門應聘，當然也可以應聘科研、檢測儀器設計與銷售等多項擇業方向，從而可以盡可能多地增加就業機會和擇業范圍。

三、大型科研設備在本科實驗教學中的應用

涉及大型設備，大部分高校在安排實驗教學的過程中，由于擔心本科生的不當操作會影響儀器的正常使用，通常大型設備實驗室不對本科生開放，即使是開放，實驗過程中一般都是實驗室的專門老師進行操作，讓學生觀摩，學生很少能參與實驗過程。雖然這種模式盡可能地保證了實驗設備的長期正常運行，但這種模式對于培養學生的創新能力和動手能力，提高學生對理論課程的興趣等方面非常不利。

我們的大型激光光譜設備由超聲分子束進樣系統、真空系統、光學光路系統、離子透鏡系統、時序控制系統，二維影像探測系統、信號采集及數據處理系統等所組成。

超聲分子束進樣系統：純樣品，以背景壓力2atm的稀有氣體作為載氣，液體樣品的飽和蒸汽和載氣混合氣體經過脈沖閥噴入束源室形成超聲分子束。當噴嘴內的氣壓較大時，分子的平均自由程很小（約10-8米），遠遠小于脈沖閥的直徑（0.5mm），導致分子在脈沖閥內發生多次碰撞。當脈沖閥一打開，氣體噴入具有高真空度的束源室，發生絕熱膨脹，使得分子的無規則運動轉為定向運動，速度超過聲速，形成超聲分子束。

真空系統：由束源室和電離室和真空泵（分子泵、機械泵）所組成，束源室利用速為400轉/s、抽速為1200L/s分子泵抽真空，機械泵為分子泵的前級泵，沒有進樣時，束源室保持腔內真空度在10-6Pa量級，進樣時保持10-4～10-5Pa的真空度，電離室采用轉分子泵（F200/1200）分子泵抽真空，保持10-6Pa的較高的真空度。

光學光路系統：激光器輸出的基頻光分成兩束，其中一束用于泵浦光將目標分子激發到該研究的激發態上。另外一束光作探測光。泵浦光和探測光通過多個反射鏡、光欄、各種倍頻晶、透鏡等光學器件，保證所需波長的泵浦光和探測光的光程相等，最終聚焦到真空腔和樣品分子正交并與樣品分子發生作用。泵浦光和探測光的偏振方向根據實驗內容的不同我們通常采用線偏正光或者橢圓偏正光，利用可變波片和半波片調節偏正方向。

離子透鏡系統：由三塊中間開孔的不銹鋼圓片構成，分別為排斥極（R）、加速極（E）和接地極（G）、排斥極和加速極加電壓，接地極接地。離子透鏡會對產生的光電子和光離子進行加速和聚焦。

二維影像探測系統由兩塊微通道板（MCP）和快速響應的P47熒光屏構成二維位置敏感探測器，產生的光電子/光離子最終聚焦到二位影像探測器上，形成高分辨的光電子影像或離子影像。

信號采集及數據處理系統：形成的影像利用裝在探測器背面的CCD相機進行采集，實驗中還利用光電倍增管，采集了光電子離子質譜信號。整個系統的時序利用時序控制器DG535進行控制。

超聲分子束進樣系統、真空系統和本科生在熱學、力學等課程所學的很多內容有關;離子透鏡的設計涉及學生電磁學、力學所學的內容;激光光路系統和學生們光學課程中所學的光的干涉、衍射、幾何光學、偏正光學所學的內容都有關，時序控制器，二維影像探測系統、信號采集及數據處理系統涉及電磁學、光學，電路等課程所學習的內容，還要求學生會用labviev、matlab等軟件編程，因此，學生根據按照自己的興趣和特長選擇性地參與不同部分的操作和實驗，如果時間足夠，可以參加整個設備的實驗操作和實驗過程，這樣不僅可以讓學生更好地掌握理論知識、大大提高學生動手能力、獨立思考和解決問題的能力，還可以激發學生對科研的興趣，可以提高學生就業競爭能力。

四、結語

大型實驗設備在本科教學中的合理、科學應用，可以提供給本科生更多的實踐機會，可以提高本科生培養質量和創新能力，提高大學生的動手能力，提高就業競爭力，初步形成產學研一體化的人才培養模式。通過先進實驗室讓大學生參與科研活動，可以親身并直觀感受到現代科學技術的成果與發展趨勢。

參考文獻

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The Role of Laser Spectrum Laboratory in Undergraduate Teaching

Bumaliya.abulimiti*

（College of Physics and Electronic Engineering， Xinjiang Normal University，

Urumqi， Xinjiang 830054， China）

Abstract：There is no top university without a first-class laboratory， and it is difficult to cultivate first-class talents without leading university. Scientific research laboratory plays an important role in the development process of institutions of higher learning and the cultivation of innovative talents， and laboratory equipment is an important part of the laboratory. In recent years， with the national attention to scientific research and the improvement of scientific research level in colleges and universities， the national and university investment in laboratory construction is also increasing. The utilization rate of large-scale scientific research equipment in university scientific research has reached a high level， but the application rate in undergraduate teaching ability training still needs to be improved. How to use large-scale scientific research equipment to cultivate students' experimental ability， practical ability and technical level in reasonable teaching is a new problem that should be considered and planned in contemporary colleges and universities. This paper takes the laser spectrum laboratory as an example to discuss the role of large-scale scientific research equipment laboratory in undergraduate teaching.

Key words：laser spectrum; laboratory; undergraduate teaching; colleges and universities