中图分类号：G642.0
文献标识码：C
DOI： 1（）.3969/j.issn.1672-8181.2015.03.005
1 我校《激光原理与技术》专业课存在问题
我省许多理工类院校的光信息、光电类和大部分应用物理专业都开设《激光原理与技术》课程。作为重要专业基础或方向课，此课程：第一，具有较强的理论性、实践性、前沿性和探讨性；理论抽象，公式众多，有相当学术和技术含量的课程，教学中经常发现学生对概念缺乏准确理解或概念和实际应用“两张皮”的现象。第二，课程教学内容多，课程容量大。第三，由于激光技术、光电技术的发展日新月异，器件层出不穷，与新现象、新理论、新器件、新应用有关的课程教学内容也必须不断地做出更新调整，
另外，《激光原理与技术》课程涵盖知识点包括激光原理、激光技术两部分，知识点明确，可以用一个实验、一个概念来组织教学内容。课程具备开展翻转课堂的实施要求。
2 翻转课堂在《激光原理与技术》课程中的实施方案
结合我校《激光原理与技术》课程特点，在现有的翻转课堂模型基础上，我们设计了翻转课堂的教学路线图f如图1）。主要由线上学习、课堂学习和课后学习三部分组成。LMS作为教学实施的基础性管理学习平台，可提供教学资源、学习过程记录和互动场所。
线上学习
课堂学习
课后学习
2.1 设计知识单元的策略
将课程按“知识块”分成8个教学单元，即：激光的基本机理，激光谐振腔理论以及激光振荡理论，连续和脉冲激光器的工作特性，选模技术，放大技术，稳频技术和激光短脉冲技术。每个教学单元可以由一次或多次课程完成，以便教师开发课程视频。
2.2 设计课程微课
第一，根据本专业课程教学内容（突出难点、重点），设计微课。第二，每个教学单元可分成若干个模块，以模块为单位设计微课。第三，微课内容包括微视频、课间练习和每周作业。通过微视频中的导读内容、课间练习和作业，向学生提出问题，引导学习者自主思考。
2.3 翻转课堂教学设计
2.3.1 线上学习
第一，通过慕课学习。让学生假期在慕课平台查找与激光器件有关的知识，提前使学生进入到课程中来，在头脑中初步形成激光器件的结构框架，对激光器件的主要应用等有简单的了解，简单的知识点通过慕课学习。第二，通过微课学习。设置每周微课时间和作业提交截止时间。课间练习和每周作业可采用填空或选择形式，每道题在截止日期之前允许学生提交3次，否则当次作业记为0分。另外，在学生看完微课之后，对微课中的收获和疑问可以在讨论区发帖。由教师团队或学生讨论互动给出解答，完成课题组布置的线上学习任务。
2.3.2 课堂学习
第一，分析每个教学单元的目标、知识类型、学生线上学习情况和存在的问题，确定教学策略，如“讲授”、“自学”、“讨论”、“实验”、“探究”等。第二，学生的独立探索和协作学习。具体分为五个环节：①明确问题：根据课程内容和学生观看微课时提出的疑问，总结出-些有探究价值的问题；②独立探究：从开始时选择性指导逐渐转至为学生的独立探究学习方面，让学生在独立学习中构建自己的知识体系，注重和培养学生的独立学习能力；③协同学习：通过“探究式案例”、“探究式实验”鼓励学生以小组协作形式，采用对话、商讨、争论等形式进行讨论并实施；④交流展示：成果交流采用如：举行展览会、报告会、辩论会、小型比赛等；⑤考核评定：建立线上学习、课堂和课后学习各环节的考核评价。考核成绩构成为“课间练习20分+每周作业15分+课后研究报告和小论文5分+讨论区及课堂活跃度10分+期末考试50分”。
2.3.3 课后学习
由课后的复习，学生定期的答疑，学生完成的项目任务和课程论文构成。
3 翻转课堂教学实施案例――以光学谐振腔（FP腔）为例
3.1 线上学习
首先利用微课介绍实验现象，给出FP腔的输出装置，给出了连续波入射时单模光纤FP腔输出光谱。提出问题：如何解释上述实验现象呢？接下来在微课上介绍描述上述激光现象的基本概念与相关规律。根据多光束干涉原理，可得垂直入射时，光学FP腔的输出与输入光强之比为：
将光纤长度，折射率（n=1.48）代人，可得其自由谱宽为50CHz，利用变换式，可得自由谱宽为0.4nm，理论计算与实验现象一致。通过微课学习，学生完成知识的内化。课间提问，采用填空题：C02激光器波长为10.6um，当腔长L=lm时，自由谱宽为（），如果该激光器的光谱线宽度AVF=108Hz，则输出为单模还是多模（）。要求学生在规定时间完成课间作业的提交。
3.2 课堂学习
首先，提出问题：腔端面反射率对输出特性的有什么影响？让学生在独立学习中构建自己的知识体系。然后，进行协作学习，以4人为以小组，利用计算机对（1）式所描述的规律进行数值计算，将结果可视化，计算结果与实验结果一致。从图上还可发现原本静止的图“动”了起来。给学生很大的想象空间，这一环节是理论分析的重要补充，再次完成知识内化。将科学计算引入课堂，提升学生解决问题的能力与效率，引导学生进行研究性、探索性学习。通过可视化，学生对复杂的激光现象具有了感性认识，促进学生对晦涩理论的理解。最后，介绍新实验现象的探索。前面我们详细学习了连续波入射情形下，光学FP腔的输出特性，自然会想到脉冲激光入射情形，那么脉冲激光入射到光学FP腔，其输出具有什么特点呢？通过教师的引导和学生的协作学习和探索，得到当脉冲激光入射到单模光纤FP腔时，其输出波形具有衰荡特征，从而完成创新能力的培养。
3.3 课后学习
以小论文形式，让学生完成一份研究报告，题目为光学FP腔的激光器件中的应用。鼓励学生利用网络资源，查阅光学FP腔在各个领域的应用。例如FP在输出模式选择，光束质量改善等方面的应用，让学生自行选题，自行设计实验方案，在学院的激光实验室独立完成实验，完成小论文撰写和提交。
4 结束语
翻转课堂教学模式起源于美国，在我国真正去推行翻转课堂教学模式还有很多问题有待解决，还需要更多的实际教学工作要做。
参考文献：
20世纪70年代中期开始的激光冷却与捕陷中性原子技术的研究，使人类进入了一个空前的超低温（10-4-10-9K）领域。在这个新领域中人们实现了新的物态（气态原子的波色-爱因斯坦凝聚，BEC），发现了一系列新的物理现象，一些新的学科（即所谓的超冷原子物理、原子光学）也随之兴起。操纵、控制孤立的原子一直是物理学家追求的目标。由于原子不停地热运动，要想实现操纵、控制的目的，必须使原子“冷”下来，即降低其速度至极低，这样才能方便地将原子控制在某个小区域中。
有关这个领域的理论和实验研究已有多篇文章评述[1-12]，其中文献[8-12]有相当全面地论述。
本文应用含保守系统和非保守系统的薛定谔方程[13]研究了激光冷却机制，从量子理论的角度很好的解释了原子激光冷却，并且预言原子激光冷却的温度和原子的角频率成正比，这和最近在Nature发表的实验结果符合相当好[19]。
1.含非保守力的薛定谔方程
在激光场中，原子受到的力可以写成[14-15]：
（1）
其中，是原子的速度，是原子的位矢，k是激光场中原子的阻尼系数，是弹性恢复系数。第一项-k激光冷却原子受到的非保守力，而第二项是激光捕获原子的保守力，这个力和势能相对应。
下面，我们将运用费曼的路径积分拓展薛定谔方程，使其既适用保守系统也能适用于非保守系统。路径积分的公式为[16-18]：
（2）
通过计算，我们得到了拓展后的薛定谔方程，具体形式：
（3）
其中：
2.原子激光冷却的量子理论
由方程（3），我们可以对激光冷却用纯量子理论方法进行研究。冷却原子受到的力为F=-k-k，第一项-k激光冷却中原子受到的非保守力，而第二项是-k激光捕获原子的保守力，这个力和势能相对应，所以方程（3）可以写成：
（4）
经推导，方程（4）的特解是：
（5）
原子的速度算符为：
（6）
速度算符在态下的平均值为：
（7）
分量的平均值为：
=0 （8）
的平均值：
（9）
所以，我们发现随着t的增加，和分别趋于零，也就是说随着时间t增加激光场中的原子被冷却了。
由于：
（10）
可以得到：
（11）
方程（13）是激光冷却的温度方程，由此我们可以得到原子冷却的温度。
3.数值分析
下面我们给出原子激光冷却温度的数值分析。方程（13）是超越方程，再结合下面这两个方程：
（14）
（15）
可以得到原子冷却温度。
主要的输入参数：普朗克常数=1.05×10-34JS，波尔兹曼常数kB=1.38×10-23JK-1。在激光场中，原子的振动频率大概几百千赫兹。可以得到，冷却温度T和振动频率成正比，满足关系式：T=4.334×10-3。最近，A.D.Oconnell等人在Nature上[19]，他们发现：当振动频率=6.175GHz时，对应冷却温度T=25mK。由我们的关系式T=4.334×10-3，计算得到T=25mK，可见这结果和实验结果符合相当好。通过降低振动频率，我们可以得到更低的冷却温度。
参考文献
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[4]X..Y.Wu，B.J.Zhang，H.B.Li，X.J.Liu，J.W.Li，and Y.Q.Guo，Int.J.Theor.Phys.48，2027（2009）.
[5]D.W.Sesko，T.G.Walker，and C.E.Wieman，J.Opt.Soc.Am.B 946 1991.
[6]A.M.Steane，M.Chowdhury，and C.J.Foot，J.Opt.Soc.Am.B2142 1992.
2引入慕课资源，促进课堂教学改革
《激光原理》属于光电子类专业的一门重要专业课程。由于课程的针对性较强，相对于其他的公共基础课而言每个学校担任《激光原理》课程的教师为数不多。目前，《激光原理》课程教学内容多以教材为主，再加以教师教案和收集的各种资料，导致《激光原理》课程信息量少，形式也比较单一。当今我国光电产业迅猛发展，而激光是整个光电产业的灵魂，所以，让广大光电产业从业人员掌握和了解一定的激光原理知识是非常必要的。实际上，光电产业作为一个新兴战略产业，许多的从业人员并未受到过系统的光电子理论教育，因而，引入慕课，不仅可以让在校的光电专业学生受惠，而且可以惠及社会上众多非“科班”出身的光电产业从业人员。慕课突破了个别教师的界限，可以是一所大学，多所大学，其他社会机构，甚至是更多个人直接上传视频、文本、音频来参与教育内容并在全球分享[2]。这样一来，慕课进入课堂，使得教学模式多样化，教学内容多元化和海量化，每位学生都可以随时随地地从慕课平台中去获取更多自己所需要的学习资源。《激光原理》课程理论性强，其中涉及到较多的复杂抽象的物理概念。在实际的教学过程中学生不易理解，仅仅依靠课堂教学很难达到预计的教学效果。这就需要改变传统的教学模式，制作一些短小精悍的微视频课件来实现慕课教学。慕课的主要载体就是十分钟左右的微视频，我们可以为每一个晦涩难懂的物理概念制作一个微视频，并加以多媒体动画讲解[3]。每一个微视频的时间不长，这样可以集中学生的注意力，同时动画讲解可以提高学生学习《激光原理》的兴趣，更大程度上提高学生自主学习的能力。另外，在慕课模式下，《激光原理》课程的考核方式也可以采用除传统的试卷考试之外的更为灵活的方式进行。在整个《激光原理》课程的学习过程中，由于有了慕课这种方便、快捷的学习方式，学生可以随时对自己感兴趣的内容进行学习，所以，在学习过程中更能激发学生的主观能动性。那么，在这种情况下，教师也可以根据所教授的内容和学生自身的特点对学生进行引导并提出一些跟课程相关的问题，叫学生自行寻找解决问题的方案。据此，教师可以判断学生对课程的掌握程度和学生解决问题的能力，从而给出课程的考核分数。这样的考核方式，也是激励学生不断学习的一种手段，在每次任务的完成和讨论过程中既可以调动学生的积极性又可以增进师生互动，同时每次任务完成后可以及时的帮助学生了解自己对知识点的掌握效果。
3利用慕课平台，建立虚拟实验室
在大多数《激光原理》的实际教学过程中，多以理论教学为主，虽然在教学中辅以多媒体教学手段，但是教学效果不是很明显，比如在讲解谐振腔的损耗对激光器的影响的过程中，由于教学手段限制，很难让同学们从抽象的理论中解脱出来。那么如何让学生真切体会到谐振腔损耗对激光器的重要性？这是我们在《激光原理》教学中一直关注的问题。显然，我们必须改变传统的以理论教学为主的教学方法。这样就要求理论教学内容紧跟实验教学，但是由于目前激光实验设备昂贵，针对性强，甚至有些大型精密仪器往往无力购买，这必然导致实验教学的缺失。另外，实验课教师面对学生讲解实验的时候，由于一个班人数较多，受到视角的限制，不可能所有的学生都能完整清楚的看到每一个操作细节。尤其是大型贵重的仪器受到经费的限制，台数少，上课学生多的时候不是所有的学生都有实际操作的可能，甚至有时候很多的精密仪器都是作为演示实验只有教师操作，学生只能在一旁观看。利用慕课资源，建设虚拟实验室可以在很大程度上解决激光原理实验的问题。在教学手段上，可以利用LASCAD等激光器设计专用仿真软件建立虚拟实验室，演示激光的产生和激光束的传播规律，以提高教学效果。虚拟实验室可以大大减少设备资金的投入和各种实验耗材的开销，还可以使得每位学生都有亲自操作的机会，可以使得学生更大程度上加深对深奥的概念理解。由于慕课建立在网络平台，课后只要学生有兴趣就可以继续在虚拟实验室进行操作，方便学生利用零散时间来进行学习，如果有不熟练或有疑问的地方可以反复多次的实践直至理解为止，这在传统的实验课堂上是几乎不可能的。在慕课条件下建立虚拟实验室可以在教学内容上，加大综合性、设计性实验课题的比重，体现理工科课程的特点。精选一部分实验内容制定微型的基础实验用来完成一些验证性实验，例如模拟激光器和激光束的相关特性，加深学生对《激光原理》的感性认识。同时可以再加设一部分激光原理的课程设计的题目，启发他们做一些新型的科学研究，满足学生的高层次需求。比如，利用虚拟实验室结合matlab编程等软件设计，鼓励学生开展激光器有源光学谐振腔设计等工作，开展高斯光束聚焦特性和中红外激光器设计等专题活动。同时可以借鉴国外的教学模式，各种课程设计的实验报告采用论文形式，培养学生的科学素养，提高学生撰写专业论文的能力，为今后的毕业设计、毕业论文以及科技论文打下坚实的基础。我校2014年获批湖北省光电信息技术虚拟仿真实验教学中心，以该项目为依托，我们已经着手建立激光原理虚拟实验室。
4慕课可以增进师生交流与沟通
传统的教学方式以课堂为中心，教师主导着课堂教学。而课堂教学则以灌输理论知识为主，教师讲解过程中学生处于被动接受的地位，师生间互动较少。受到多方面因素的影响，目前大部分学校的《激光原理》教学，教师在课堂上往往只根据教材的安排，按部就班照本宣科教授书本非常狭窄的理论知识，而不注意这门课程在生产实际中的应用以及这个行业当前发展的状况。另一方面，在现有的教育体制下，高校教师更多的关注自己的科研，而缺乏在教学方面创新的动力，仅把知识的灌输作为主要的教学目标，学生在学习过程中得不到有效的指导和监督[4]。然而教学的主要目的并不是为了培养学生的应试能力，而是为了训练学生的自主学习能力使其更能适应社会化发展。慕课利用当代先进的信息技术，使得全人类能够共享优质教育资源。慕课所提供的方便和快捷保障了学生的学习自[5]。与传统的教学方式不同的是，慕课的内容汇聚了大量的优质资源，学生可以通过网络观看各种《激光原理》的微视频，也可以根据自身的情况来制定学习目标，组建学习内容。学生可以观看本校、外校甚至是国外教师教授《激光原理》的教学视频并操作各种虚拟实验室。学生可以利用慕课平台与更多的教师和同学交流互动，分享各式各样的学习资源，甚至于可以组建网络讨论小组和兴趣小组，互相讨论自己感兴趣的课题，分享笔记，点评课程。在慕课模式下，教师和学生的角色都会有所转变甚至于可以互换。慕课对教师提出了前所未有的挑战，学生可以根据所需要的学习内容自行选择上课教师，这样对教师的教学水平、教学风格提出了更高的要求。学生也可以根据自己对某个知识点的理解制作微视频上传到慕课平台，教师也可以通过学生的讲解视频来了解学生的思维方式和理解程度。有些学生通过参考文献、虚拟实验或是各种社会实践来提出自己对《激光原理》课程中各种见解，这些都是教师在传统教学中所无法得知的。可以想象在慕课环境下，没有学生会选择教学模式古板、教学质量差的教学视频来观看，这样很多照本宣科、本本主义的教师将会消失，同时也对学生的自律性提出了更高的要求，是被动的学习转变为自主的学习模式。所以，在慕课模式下，教师教学生学的传统师生关系将会发生很大的改变。教师在教学过程中将会有更多的机会从学生处获益，“教学相长”将会在慕课模式得到更加完美的诠释。
5慕课模式下校企合作，了解更多的科技动态
激光原理是一门实践性很强的课程。教学中需要学生多动手、多思考，在实验中理解和应用课堂教学中学到的理论知识等。受限于激光器的构造特性，一般理论课堂难以进行实验演示，即便演示，效果也不好。此外，在教材上，由于光电子技术的快速发展，新型光子器件和新的激光技术不断涌现，导致教材的先进性有所欠缺，比如激光短脉冲技术一般教材都只介绍传统的调Q，锁模技术，而应用在高功率超短激光脉冲产生的啁啾放大技术却很少涉及。这种教学模式与教学部提出的“应用型普通本科学校”是相违背的，大学从来不是“象牙塔”，不只是单纯的要求学生参加应试教育的考试，而是要培养提高学生的综合能力包括自主学习的能力、发现问题解决问题的能力和工程应用能力等。但是，综合能力的培养与提高不是一朝一夕的事情，它贯穿于从学校到社会甚至整个人生。这就要求我们的大学课堂与企业的要求紧密的链接起来，可以根据企业合作要求搭建慕课平台，企业可以根据他们对激光工艺的要求和大学院校共同开发慕课平台，聘请企业工程师和一些有经验的工人加入慕课的开发和制作[6]。根据企业要求制作的慕课，学生不仅可以学习理论知识，还可以学习到实践技能。在所有完成慕课的学生中，企业可以根据完成情况择优录取，免去一部分招聘和培训的成本，学生通过慕课的训练也能很好地适应企业的工作，真正获得双赢的效果。由于《激光原理》课程专业性强，大多受到资金的限制，每个学校对《激光原理》课程的投入不会太大，难以添置高端仪器，而慕课是综合各个院校及企业的各种教学资源，这样实验仪器设备要更为齐全，通过慕课可以了解到一些没法见到的大型高科技仪器设备，熟悉仪器的用途、操作原理以及使用方法等。利用慕课模式，引进企业的研发机构，这样可以综合利用社会资源。在《激光原理》慕课建设内容中，可以以企业产品市场销售走势对教学重点进行适当的调整，以适应企业的需求[7]。从这个角度来讲，这也可以激发学生学习《激光原理》的兴趣，开拓知识面，开发其潜在的创造能力，通过这种课内外科技活动结合的教学形式，了解高科技知识，达到在本科阶段参与科研的目的。这既为学生的进一步深造奠定了坚实的理论和实践基础，也实现了学校人才培养和企业需求的无缝对接。所以，在慕课模式下实现校企合作，对学生、学校和企业都是有好处的，是一举三得的事情。
根据本课程的特点以及社会对光电信息类创新型人才的培养要求，现有的教学理念及教学方法必须转变才能满足社会对光电信息类创新型人才的高标准要求。因此，要牢牢抓住培养创新型人才为主导的教育教学思想，应用与之相应的教学方法与教学手段，调整教学结构，使教学方法与手段成为实现教学理念的必要手段。激光原理与技术课程以概念多、理论深奥、应用范围广、实用性强为特点。课程学习除要求学生具备较好的数学、物理、光学基础知识外，还须有较强的推理能力。另外，原子能级的跃迁规律、激光产生的条件、光学腔的结构特点及高斯光束的传输规律等，这些内容借助板书和教师的讲解很难表达透彻，学生理解较困难。随着高校卓越工程师计划的实施，社会和学生对教师的教学能力提出了更高的要求，理论课的教学学时被压缩，但不能降低教学质量，实践课的教学学时要增加，对学生的创新能力培养要求较高，教师也切身感受到了教学的压力。因此，在这种教育背景和教育环境下，必须从教学方法、教学手段、教学内容、考核方法等方面加大改革力度，激发学生的学习积极性和主动性，提高教学质量。
2 教学内容与教学手段的改革
针对传统教学模式下，教师讲解、推导，学生缺乏感性认识、被动接受、不易理解等问题，在授课过程中可以向学生展示实物并讲解其原理、结构及应用，如各种常见激光器、全息工艺品、激光测距仪等，以增强学生的感性认识、培养和激发学生的学习兴趣。利用Matlab软件对激光原理与技术课程的相关内容进行动态仿真、播放视频、展示图片等多种灵活的教学模式，从而使学生想学、乐学、善学，真正发挥学生学习主体的作用，激发学生的学习积极性，为激光原理的学习、光电信息创新型人才的培养打下坚实的基础。
要实现上述教学模式描述的教学效果，制作一套文字精练、层次分明、条理清晰、便于操作、生动形象的多媒体课件，是教学环节中至关重要的内容。通过多媒体课件播放与教师讲解，使学生对课程中的重点、难点有一定的感性认识，便于他们理解和掌握，如对原子发光机理中的能级跃迁过程，光学谐振腔的结构及工作机理，对高斯光束的形象描述，激光在物质中的传播，光与物质的相互作用，激光特性控制与改善的原理与过程展现，激光在国防、工业、医学等领域的具体应用进行实例描述等，可以结合LabVIEW，Matlab软件进行模拟、仿真，采用动画、视频等生动灵活的方式进行教学。使学生在轻松愉快、趣味横生、内容多变的教学环境中学习和思考，以激发学习兴趣，拓展想象空间，提高学生对知识的掌握水平，培养学生的创新能力与创新水平，从而达到提高教学质量的目的。制备了丰富多彩、内容充实的多媒体课件，并不意味着万事大吉，还要避免课件华而不实、夸夸其谈，要注重基础知识、基本概念、基本性质、基本现象的讲解，注重公式的物理意义、内涵与外延、应用领域及应用范围的讲解，要注重培养学生分析问题、解决问题的正确方法，以提高学生分析问题及解决问题的实际能力，同时要注重启发式教学，注重学生创新意识与创新能力的培养。
3 实验与考核模式的改革
目前，激光原理与技术实验主要包括激光器的组装调试与主要参数调试、应用激光干涉进行位移测量、He-Ne激光器光斑尺寸与远场发散角的测量、激光全息的记录与显示。实验目的是让学生掌握激光器的结构原理，主要参数调试，激光在工业、安全等领域的应用，帮助学生建立激光系统的完整概念和综合运用所学知识的能力。
对于我校而言，光电信息工程专业是一个新开设的专业，光电信息方面的各个实验室仍处于建设阶段，因此，激光原理与技术实验教学面临实验仪器数量、种类有限，可开展的实验项目受限等困难，然而，这对教师而言既是挑战又是机遇，教师要化不利为有利，可摒弃传统以验证性实验为主的教学模式，代之以应用型、创新型实验为主导，以验证性实验为辅的实验教学模式进行教学。首先，教师带领学生以现有的芯片、微机电产品、光学产品为基础，自己动手搭建相应的实验平台与实验系统，进行应用型实验与创新型实验研究。这对我校的本科实验教学理念产生了较大影响。其次，利用软件编写代码在自己搭建的实验平台与系统中进行实验模拟及开发，如模拟激光的传输、干涉、衍射、激光全息的生成与再现等效果，从而建立一套以目前主流软件和先进硬件为基础，可以方便灵活地模拟用激光进行信息处理、测量的仿真、创新实验系统。利用建立的实验系统与平台，结合重大科技竞赛，如飞思卡尔智能车竞赛、大学生挑战杯竞赛等，达到全方位、立体化地培养学生理解知识、应用知识及创新能力的目的。
在考核方式上，采取理论课+实验课的考核方式，适当降低理论课的考核比例，增加实验，尤其是创新实验的考核比例。此外，如果学生在与此课程相关的竞赛、专利等方面获得较好成绩，可以等同该课程实验考核为优秀。
通过这种方式，可以最大限度地拓展激光实验的数量与领域，锻炼学生实验技能及工程实践能力，真正理解与掌握激光原理与技术课程的相关内容，从而真正激发学生的创新思维，达到为社会培养创新型人才的目的。
4 结束语
分析了我校激光原理与技术课程的教学现状，以满足社会经济、科技发展对人才培养的要求。以服务地方经济发展为目标，提出了充分利用当前科技手段和现代教育教学理念，对激光原理与技术课程教学内容、实践教学方法进行改革，并对提高学生分 析问题、解决问题以及创新能力的培养提出建议和思路，以期对该专业本科教学质量的提高有所帮助。
参考文献
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中图分类号：G423 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（b）-0154-02
电子科学与技术（以下简称“电科”）专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识，能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发，以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术，不仅是当代信息技术两大支柱之一，而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一，正是光电子材料与器件的广泛应用，例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外，诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用，是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见，学习光电子材料与器件的相关知识，不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响，也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生，提供了坚实的理论基础与知识储备。然而，根据笔者的调研，虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程，但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广，教学课时又往往有限（一般为32或48个学时），因此在光电子技术的实际教学过程中，讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学，而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性，并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验，研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。
1 光电子材料与器件简介
光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来，光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里，光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明，到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世；从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段；从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步，并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下，各种新型光电子材料与器件层出不穷，性能也不断提高。尤其是近年来，随着微米及纳米级加工技术的成熟，新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕，为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。
综上所述，光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位，因此，光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学，而且应该作为重视工程教育的电科专业的核心课程。
2 光电子材料与器件课程教学研究
2.1 光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择
光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识，例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等，而且与实际应用结合精密，因此，本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。
在课时安排方面，作为电科专业的一门核心专业课程，光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时（2学分），理论课学时不低于26学时，实验课不低于6学时。
另外，在教材选择方面，由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容，而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多，其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材，例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1]，西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件，但是，目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少，市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之，该书中所涉及的理论知识较深，基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见，对于光电子材料与器件这门新兴课程而言，设立统一的教材并不合适。因此，笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容，自行编写该课程的讲义与课件。
2.2 光电子材料与器件课程的理论教学
按照电科专业的专业定位以及培养目标，光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容，在光电子材料与器件教学中要弱化；而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识，要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下，让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。
在教学内容的设置方面，由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中，因此，为了便于学生的理解与知识体系的构建，笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程（共26学时）为例，该理论课程共被分成了绪论（2学时）、激光原理与典型激光器（5学时）、太阳能电池（4学时）、光通信器件与材料（5学时）、光探测器件（5学时）、光电显示器件（3学时）与光存储器件（2学时）等七个章节，这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外，在每章内容的设置上，也尽可能突出“工程”内容，弱化“理论”知识。下面，笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。
第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中，向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍，让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中，重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系，并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍，让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。
第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性，其主要内容包括三个部分：激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分，由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程，所以该部分内容为简略介绍的内容，主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重，在该部分内容中，将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似，在介绍完半导体激光器后，可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外，本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。
太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用，但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势，该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中，主要分两小节给学生介绍，第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用，让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求，然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势；第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。
第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节：第一小节介绍光纤通信的基础知识，包括光纤通信的定义，光纤的结构、导光原理、发展历史，以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的核心材料。在光纤通信中，最重要的器件当属光纤，所以，本节开始就着重介绍光纤的相关知识，包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后，又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类，并分别介绍了这两类光器件中的代表器件：掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后，在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件，例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。
第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声；其次，按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器（光电管与光电倍增管）与内光电效应探测器（光电导、光电池与光电二极管）。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。
第六章光显示器件重点介绍四种光显示器：阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。
第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统―― 光盘系统以及其中最总要的器件光盘。
2.3 光电子材料与器件课程的实验教学
光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连，并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件，实验课程的学时应不低于6学时，开设的时间最好在理论教学完成之后，以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面，既要保证与理论课程内容的相辅相成，又要尽量避免与其它课程实验项目的重复，造成资源的浪费。例如，许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的核心专业课程，并配备了相应的激光器实验。在这种情况下，如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容，不仅消耗了宝贵的实验时间，实验效果也会大大降低。
下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学（6学时）中的实验安排。
（1）实验内容：共包含六个实验项目，它们分别是：光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验（每个实验1学时）。各实验中都应用到了一个或几个核心光电子器件，这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件，例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为核心元器件；而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。
（2）实验要求：以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析，但经笔者调研，这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力，因此，在对原有的实验指导书进行改良后，笔者自行编写了实验的指导书，并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验，原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果，但是，在新改良的实验指导书中，要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流，并要求学生分析比较其差别。通过这种方式，充分调动学生的实验积极性，在具体的实验教学中也取得了很好的效果。
（3）实验方式：分组实验，共同撰写实验报告。这样，不仅提高实验效率，还能够锻炼学生的团队协作意识。
（4）考核方式：根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。
3 结语
光电子材料与器件在信息产业的发展与现代科学的研究中都具有举足轻重的地位。它不仅是电科专业知识体系中的重要环节，也为电科专业学生提供着良好的就业竞争力与科研基础。本文通过对电子科学与技术专业特点与光电子材料与器件课程内容的分析，讨论了光电子材料与器件在电科专业教育中的重要性，并根据笔者自身的授课经验，提出了光电子材料与器件在电科专业中的教学形式、课时安排、教材选择以及理论与实验课程内容设置的一些意见与建议。
参考文献
1 概述
在地球大气中，臭氧层能吸收大部分波长短的射线（如紫外线），使大气温度升高，并使地球上的生物免受过多紫外线的伤害，因此被称为“地球上生物的保护伞”。但含氯化合物在电离层发生解离释放出氯原子，氯原子再进一步跟臭氧发生反应，从而使得臭氧分子遭到破坏，已经成为人类关注的重要环境问题之一。二氯甲烷用途广泛，在胶片生产、医药领域、化工行业、工业制冷等方面都被广泛使用，它对臭氧的破坏不容忽视。然而目前国内外对二氯甲烷分子构型和红外光谱、拉曼光谱以及电子光谱的第一性原理计算尚未见报道。文章利用第一性原理理论研究了二氯甲烷的分子构型、红外光谱等，可以为二氯甲烷的进一步研究提供一定的参考数据。
2 理论计算
利用密度泛函理论方法，在B3LYP/6-311G++（d，p）水平基组上对二氯甲烷分子进行了分子结构的优化，并在该水平上计算了红外光谱和拉曼光谱计算，结果表明频率分析均无虚频，说明分子构型稳定。同时在优化好的构型基础上，采用TD-B3LYP/6-311G++（d，p）基组计算了二氯甲烷分子的激发态和对应的电子光谱，全部计算通过Gaussian 09程序来完成。
3 计算结果与讨论
3.1 分子几何构型
通过Gaussian 09程序的计算，我们得到了二氯甲烷分子的稳定构型，如图1（a）所示。二氯甲烷分子由1个碳原子2个氢原子和2个氯原子组成。
优化后的具体结构参数包括了键长、键角以及二面角等信息。R12，R13，R14和R15的键长分别为1.08，1.08，1.79和1.79；A（2.1.4），A（2.1.3），A（3.1.4）和A（4.1.5）的键角分别为107.92°， 112.02°，107.92°和113.22°；D（2.1.3.5），D（2.4.1.3）和D（4.2.1.5）的二面角分别是121.24°，-118.65°和122.69°。
通过以上数据，我们知道二氯甲烷分子中碳氢键的键长大概为1.08，碳氯键的键长大概为1.79。如果键长越长，键能就会越小，分子键就越容易断裂，故越不稳定。这也说明在二氯甲烷的解离过程中原子态的氯自由基更容易被解离，造成对大气臭氧的破坏。
3.2 红外光谱
我们通过计算得到各个频率对应的红外光谱强度分别为：282.25cm-1对应的强度为0.4161；698.98cm-1对应的强度为13.6566；718.11cm-1对应的强度为171.26；901.61cm-1对应的强度为1.8912； 1302.22cm-1对应的强度为55.5288；3121.68cm-1对应的强度为8.6298；3200.32cm-1对应的强度为0.0296；1457.29Hz和1178.33Hz对应的强度都为0，如图1（a）所示。从计算结果可知，分子谱线在三个区间比较明显，最明显的峰值出现在频率700cm-1附近，强度最大达到170；其次是频率在1300cm-1附近强度为55左右；在频率3100cm-1附近也有一个不太强的峰值为8左右；其他频率范围红外光谱不明显，甚至根本没有。
3.3 拉曼光谱
通过Gaussian 09程序的计算，我们还得到了分子振动频率和振动对应拉曼光谱的强度，如图1（b）所示，分别如下： 282.25cm-1对应的强度为6.3223；698.98cm-1对应的强度为15.9647；718.11cm-1对应的强度为4.3982；901.61cm-1对应的强度为1.7829；1178.33cm-1对应的强度为10.2209；1302.22cm-1对应的强度为5.8403；1457.29cm-1对应的强度为10.4591；3121.68cm-1对应的强度为97.5086；3200.32cm-1对应的强度为57.5254。由上述数据可知，分子强度最大的峰值对应的频率是在3200cm-1附近，频率为3121.68cm-1对应的强度次之，其他频率对应的强度与它们相比都比较小。
3.4 电子光谱
为了进一步研究，我们还对二氯甲烷的电子光谱进行了计算，得到了一系列的电子激发态数据并画出了对应的电子光谱图，如图1（c）。前十个激发态的情况分别是：第一激发态的波长为191.23nm，谐振强度f为0；第二激发态的波长为183.5nm，谐振强度f为0.0195；第三激发态的波长为176.63nm，谐振强度f为0；第四激发态的波长为172.68nm，谐振强度f为0.0010；第五激发态的波长为166.22nm，谐振强度f为0.0175；第六激发态的波长为164.52nm，谐振强度f为0；第七激发态的波长为161.91nm，谐振强度f为0.0536；第八激发态的波长为160.95nm，谐振强度f为0.0078；第九激发态的波长为153.82nm，谐振强度f为0；第十激发态的波长为152.38nm，谐振强度f为0.0057。从图1（c）我们发现电子光谱最明显的两个峰值所对应的波长分别为127.5nm和145.5nm，其他波长所对应的谱线都不明显。
4 结束语
文章利用密度泛函理论方法， 在B3LYP/6-311G++（d，p）高水平基组上对二氯甲烷分子进行了分子结构的优化和计算，同时在优化好的构型基础上，分别采用HF/3-21G和CIS/3-21G基组计算了二氯甲烷分子的特征光谱，包括红外光谱、拉曼光谱和电子光谱，为二氯甲烷的进一步研究提供参考数据。
参考文献
[1]Wang D S， Kim M S， Choe J C， Ha T K J. Chem. Phys，2001，115：5454 .
中图分类号：G642.0 文献标识码：B
文章编号：1671-489X（2016）18-0110-03
1 前言
军队院校教育是当代教育的重要组成部分，它担负着培养高素质军事人才的任务，其重要目的是培养学员创新精神、创新意识，提高学员的创新能力，求新、突破、开放和超越是对军校教育的重要要求。
最新问卷调查表明，目前军校学员的主体是95后，他们的身心呈现出许多新特点：
1）自尊心强、好面子，同时渴望得到关注；
2）对第一任职需求存在认识不足，就业压力小，求知欲不足；
3）对军事装备内容格外关注；
4）信息化程度高，接受新事物速度快，习惯网络交流和学习等。
在此前提下，继续沿用旧的教学思维和理念，已经无法满足军校学员的心理和知识需求，必将导致教学效果的不断削弱。
教育心理学表明，改进教学方法和手段是培养学员学习兴趣和学习动机的有效手段之一。现代教育技术和教育理念无疑是深化教学改革、增强教学效果的突破口。在激光原理与技术课程教学过程中，在引入信息化方法和手段的同时，改进传统教学手段，并努力将两者相融合，从而有效增强课堂教学效果。
2 虚实结合的网络虚拟实验
网络虚拟实验是利用人工生成接近真实效果的实验环境，并将其置于网络，便于远程操作的一种实验形式。这种实验形式借助信息化教学手段的优势，突破了传统理论课程对演示实验的时空限制，能够将实验直接引入课堂。
激光器属于精密光学设备，其相关实验设备体积大，调试困难，不易搬进课堂，所以各学校的激光技术课程大都将理论与实验分别开设。教学实践表明，这种教学模式不利于学生对理论知识的理解。
网络虚拟实验的出现无疑为激光技术课程的改革提供了突破口，笔者在这方面也做了一些有益探索。在制作过程中，使用Solidwrks三维模型制作软件、Okino PolyTrans
格式转换软件、NGRAIN Producer三维交互动画制作软件、会声会影视频制作软件及Dreamweaver网页制作软件等工具，将等比例实验设备与真实测量结果相结合，开发了He-Ne激光器特性、普通脉冲激光器输出特性、调Q激光器输出特性等一系列虚实结合的虚拟实验（见图1），并其放在网络平台上供学员学习。
两年的教学结果表明，上述网络虚拟实验既可以增加学员对理论知识的形象认知，又可以让学员与后续实验课程前后呼应，同时有助于学员课下自主学习，因而可以获得良好的教学效果。
3 基于Ngrin互动平台的可操控激光设备
三维制作工具NGRAIN Producer是NGRAIN公司生产的一款能够直接从现有产品的各种CAD三维数据模型，快速生成交互的产品功能展示、维修和学习培训材料的软件。它可帮助普通用户在普通计算机上快速创作出富含大量信息元素的虚拟设备，提高现有的电子教学素材质量，同时保证新手在第一时间正确操作。
激光教学小组将这种在装备类或更复杂类课程中使用的技术引入激光原理课程，为激光器这类精密光学设备的教学提供服务。课程以虚拟实验建设为基础，将前期等比例制作的各类激光实验设备通过一定的格式转换放在远程NGRAIN互动平台上。这样一来，在教学过程中，只要安装一个很小的NGRAIN Viewer软件，就可以通过远程访问的方式随时调用实验设备，并可以为学员提供设备现场的拆解、任意角度的翻转等，让学员更直观地了解激光器等精密光学设备的内部结构，见图2。
4 基于GUI平台的激光仿真实验
激光原理与技术课程理论性很强，如果没有实验验证，学员很难理解。但是，激光实验设备非常昂贵，许多结论不具备实验条件。如基于不同谐振腔的激光器、调Q激光器和锁模激光器等工作特性均与激光器多个结构参数相关，但不可能买来所有样品，对各个参数一一测试，而光学仿真实验恰恰以其科学准确、简单易行、操作灵活等诸多优点弥补了这一不足。对此，利用MATLAB软件，通过建模和编程，对激光原理与技术的部分实验进行仿真模拟，并构建基于GUI用户图形界面的实验仿真平台，为激光原理与技术的教学提供一个新的途径。
5 定制化的板书呈现形式
板书是最基本的传统教学手段，可以给学员一个完整、系统的课堂教学内容框架，但是并非所有教学内容都适合以传统形式加以呈现。为此，根据不同教学内容，进行定制化的板书设计，使板书形式更利于不同教学内容的展现，以及学员理解和记忆。如在激光原理与技术课程中，就设计有传统型、图表型、思维导图型等多种形式，在“调Q原理”一节中就采用了思维导图型板书。显然，这种新颖的板书形式，不仅可以清晰地呈现整节课的思维过程，而且有助于学员理清脉络，记忆内容。
6 结语
激光课程教学改革5年以来，取得明显成效。
1）教员层面：笔者及小组成员以“激光调Q技术”“激光产生的基本原理”为授课内容，参加总装备部举办的院校优质授课评比，分获二等奖和三等奖。
2）学员层面：学员学习积极性明显提高，考研率显著增加，说明学员对激光学科产生研究兴趣。在对2006～
2011届学员做的问卷调查中，80%以上的学员对激光教学改革工作给予充分肯定。
现代教育技术和教育理念无疑是深化教学改革、增强教学效果的突破口。本文以自身教学实践为基础，在激光原理与技术课程的教学过程中，在引入信息化方法和手段的同时，不断改进传统教学手段，并努力将两者相融合，从而有效增强课堂教学效果，为进一步促进军校教学改革提供参考。
参考文献
[1]潘菽.教育心理学[M].北京：人民教育出版社，1980.
中图分类号O4 文献标识码A 文章编号 1674—6708（2012）76—0092—06
对于人类而言，或许再也没有比探索我们所处的这个自然的真实，而更能安慰那蓄积在心底的至尊好奇了。长期以来，人类正是借助于这份难得的好奇与百折不挠的探索精神，才逐步地了解了自然；而且也正是这种了解，方使得我们人类在利用和顺应了自然的前提下，争取到了愈来愈有意义的存在权。
绝对静止空间问题是一个历久而弥新的问题，也是一个一直困扰着人类思维的问题，它直接关系到我们对于自然最终极层面上的认识。在本质上，对于绝对静止空间是否存在的探索，与长期以来人们对于以太的探索、对于相对性原理是否正确的探索、对于是否存在着绝对静止参照系的探索等等都是一致的。而若非要对绝对静止空间下一个定义的话，那就是：即在认定真空本身为由一种特殊物质构成的前提下，指与局部区域性的该特殊物质刚连着的空间参照体系。
在爱因斯坦推出相对论之前的十九世纪末和二十世纪初这段时期，是人类通过实验手段企图探明绝对静止空间是否存在之活动的一个比较集中的时期；然而，尽管有诸多学者费尽心思地开展了不少著名实验（如布拉德雷、阿拉果的光行差实验；斐索、霍克等人的部分曳引实验；法拉第等人的偏振面旋转实验；迈克尔逊—莫雷的干涉仪实验；洛奇的转盘实验；瑞利、布雷斯的双折射实验；特劳顿与诺伯尔的电容器扭转试验等等），但是无一例外的、确是没有任何一项实验能够不容置疑地去证明绝对静止空间的存在；而这，也恰正为爱因斯坦创建和推出相对论提供了绝佳的机遇。事实上，不仅仅是相对论，就连随后逐步建立起来的量子理论，也是不承认有绝对静止空间存在的，尽管它不像相对论所表现得那样坚决；可是，如果假设一下，即假设确实存在着绝对静止空间的话，那么我们立即就会发现，它与量子理论之间也是存在着不可调和之矛盾的。虽然从相对论与量子理论创立至今，依旧是尚无一例实验能够证明绝对静止空间的存在，反倒是有不少实验好像更加坚定地证明了它们的正确，但是基于相对论与量子理论确实存在着诸多难以解释的问题，因此一直以来，人们并没有停止过对于二者的质疑，也更没有停止过对于绝对静止空间的探索。而这，由近期欧洲一个研究团队所宣称之“疑似中微子超光速事件”（尽管仍以乌龙事件收场）引起的全球性轰动效应，便可略见一斑。
我们亦怀疑相对论与量子论理论，至少是怀疑它们在本质上的完全正确性。通过长期研究，即在认定存在绝对静止空间的前提下，我们已经建立起了一套新的光传播理论；为了在一定程度上揭示出自然的真实面目，也好判明相对论与量子理论那赖以为建的基础是否正确，于是，我们根据新的光传播理论也设计出了一套用以探明绝对静止空间是否存在的方案。本实验方案以现代激光技术为基础，利用的是激光器谐振腔与其内部光振荡之复杂关联特性，并通过改变该光学系统所对应普通惯性参照系的状态、便就有可能会影响到谐振腔内部之光振荡情形的方式，而打算去揭示出相对性原理的错误。尽管同样是利用光干涉方法去设计的实验，但是必须提前指明的是，根据本实验方案的设计思路，则实验结果的预期表现，将不再会是传统实验方案所追求的那种光干涉图样的“吞进或喷出”类变化，而将会表现为光干涉图样的“快速跳变”现象。可以说，只要本实验的结果表现出了对于相对性原理的违背且与我们的理论预期一致，那也就等于是直接证明了绝对静止空间的存在。而且是，由于本实验运用的是激光设备和采用的是光干涉方法去展示的实验现象，因此只要能够证明绝对静止空间的存在，便事实上也就等于是一起否定掉了爱因斯坦的光速不变原理，以及那激光器谐振腔的传统光驻波理论；并从而一举证明了我们所建立的至少是相关光传播理论的正确。
1. 引言
波片作为位相延迟器，在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用，如外差激光干涉 仪，偏振光干涉系统，偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波器、可调光衰减器、光 盘驱动器光拾取头等等，其中波片的位相延迟误差会对系统产生影响[1]。正是由于波片在实 际光学系统中的广泛应用，波片的测量技术显得尤为重要。传统的测量方法有旋转消光法、 电光调制法、磁光调制法等，这些方法本质上都属于消光法，需要测角机构，使得整个系统 结构庞大，并且测角的精度会对测量结果产生很大的影响[2-6]。新型的测量方法包括激光频 率分裂法、激光回馈法等，激光频率分裂法精度很高，结构也很简单，但是需要对波片镀增 透膜，不适合实际生产的测量要求[7]。而激光回馈法中，待测波片在激光腔外，不需要进行 镀膜处理，而且整个系统中不需要测角机构以及高精度的检偏器，结构十分简单，因而大大 简化了测量的过程，很适合在线测量的需要。
激光回馈法是利用激光回馈中的偏振跳变现象，通过测量一个扫描周期中两个偏振态的 占空比来实现对波片的测量。由于在长期的测量过程中，很难保证激光器对于两个偏振态的 损耗完全相同，同时，波片的倾斜会造成两个偏振态的透过率不同，当两个偏振态的光强比 值发生变化时，会造成上述占空比的变化，最终导致测量结果产生误差。本文提出了一种双 向扫描测量的方法，可以从理论上完全消除这种误差源，有效地提高了该方法长期测量的准 确性。
测量装置：
图 1 激光回馈波片测量仪装置图
激光回馈波片位相延迟法的测量装置如图 1 所示，反射镜 M1、M2 及增透窗片 W 构成
半外腔单纵模 He-Ne 激光器，通过控制压电陶瓷 PZT2 可以使激光器始终在中心频率附近工 作；M3 为回馈镜，反射率为 10%，由压电陶瓷 PZT1 驱动，在计算器输出的三角波信号的 驱动下做往复运动；WP 为待测波片，其快轴方向与激光器的本征偏振方向一致；D1 为光 电探测器，探测激光器的光强信号，经放大器 APM 及 A/D 转换后送入计算机处理；P 为检 偏器，与光电探测器 D2 一起探测回馈信号的偏振信息。
在测量过程中，激光器保证始终工作在中心频率处，出射的线偏振光的偏振方向与波片 的快轴方向重合，PZT1 推动回馈镜 M3 来改变外腔腔长，则我们通过探测器 D2 可以探测 到偏振跳变的波形，根据激光回馈偏振跳变的理论，当回馈腔中存在双折射元件的时候，回 馈波形会产生偏振跳变现象，如图 2 所示。
2. 偏振跳变原理及误差源分析
2.1 o， e 光等效反射率及跳变原理
关于激光回馈偏振跳变理论已有文章做过详细的论述[8]。这里对该理论进行简化性的论 述。
我们把 M2 及回馈镜 M3 等效为 F-P 腔，由于回馈镜的反射率很低，所以我们只考虑
M3 的一次反射。记 M2 的反射系数为 r2 ，透射系数为 t2 ，回馈镜 M3 的反射系数为 r3 ，由 多光束干涉理论我们可以得到此 F-P 腔的等效反射系数为
其等效反射率为:
由于 r3 很小，可以忽略二阶项，于是等效反射率可简化为
R R 2 r r t 2
而等效腔镜反射率的变化，将直接影响光强信号。所以当外腔没有双折射元件的时候，随着回馈镜的移动，光强呈现为随 L 变化的余弦波形。
当外腔存在双折射元件时，设 o 光方向为 x 方向，e 光方向为 y 方向。双折射元件产生 的位相差为 ，则此时 x、y 两个方向上的等效反射率不一样，分别为
图 2 激光回馈偏振跳变波形
当激光的偏振方向为 x 方向时，x 偏振态的等效反射率 R( x x ) R( x ) 23 ，此时由于 y 偏振光
没有出射，并未进入到外腔，所以其等效反射率 R R2 ；当激光的偏振方向为 y 方向 时，由于 x 偏振光没有出射，并未进入到外腔，因此 x 偏振态的等效反射率 R R2 ，y 偏振光的等效反射率 R ( y y ) R( y ) 23 。 对于激光器而言，出射激光的偏振方向取决于两个偏振态各自的损耗。而激光器的损耗与腔 镜的反射率密切相关，反射率越大，其损耗越小。假设初始激光器的偏振态为 x，L 的初始
位置位于 A 点，因此，从图 3 中我们可以看出，在 AB 段，R ( x- x ) > R( x-
，出射光保持为x 偏振态；在 B 点以后， R ( x- x )
（略，想看可以看pdf原文）
2.2 迟滞效应的影响
当 L 向相反方向运动时，按照前边的分析方法，可以得到光强信号及对应的偏振态。 我们可以得到：L 正向运动和反向运动时，等效反射率所走过的路线不一样，偏振态跳变的 方向也不一样，如图 4 所示：当 L 正向运动时，由 x 偏振态跳变到 y 偏振态，x 偏振态所占 周期比大；而当 L 反向运动时，则是由 y 偏振态跳变到 x 偏振态，y 偏振态所占周期比大。 这就是激光回馈偏振跳变现象中的迟滞效应。
我们利用这种偏振跳变的现象，可以实现对波片位相延迟的测量。根据实验的结果，我
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4. 实验结果
图 6 为实际测量过程中的波形图。我们可以看到，x 偏振态和 y 偏振态的最大光强明显 不同，这也就说明，在整个回馈系统中，两偏振态的损耗是不同的。在长时间的测量过程中， 这种差异也会随之变化，这就对系统长期测量的一致性产生影响。通过同时测量上升沿和下 降沿的周期比，并对两个比值进行平均，可以有效的提高长期测量的稳定性。
图 7 为波片测量仪对一波片连续 8 小时测量的结果。我们可以看到，上升沿的测量结果 整体上是上升的，同时，对应的下降沿的测量结果整体趋势是下降的，因此，通过对二者进 行一个平均处理，补偿后的测量值没有明显的倾斜方向，这也就保证了该系统长期测量结
果的一致性。 由于在实际测量中，我们使用的是压电陶瓷作为驱动装置，来推动回馈镜正向移动和反
Abstract: Two wireless audio receiving devices are designed with laser, infrared and radio wave. Their advantage and disadvantage are investigated in this paper, we also put forward improvement method, which provides theoretical basis for the wireless audio application of these two transmission medium.
Key Words: laser; infrared; radio; audio signal
1 引言
近年来,“自由音频”[1]这一概念越来越引起人们的关注,人们期望在保证高音质的同时,能够摆脱线材的束缚,方便安全的欣赏音乐。我们从物理实验角度出发,利用激光,红外两种无线传输媒介,设计、制作了无线音频装置,并详细分析了两种方案的优劣,为它们的无线音频应用提供一些理论依据。
2 原理
由于是声音信号的无线收听,研制装置主要解决声音信号的拾取、无线传输和还原三个问题。实验中我们设计了激光,红外两种实现方案。
2.1 激光方案
激光方案就是用半导体激光发生器产生的一束极细的红光激光,射到密闭声源附近的玻璃上,玻璃会因声源的声音变化而产生轻微振动,此时从玻璃上反射回来的激光包含了声波的振动信息,在反射光线经由的一定位置用专门的接收器(光敏二极管)接收,将光信号转化为电信号,再通过信号放大和功率放大电路以驱动扬声器实现声音还原。
2.2 红外方案
红外方案是用压电陶瓷贴片附到声源近处的密闭外壳上,物体因声源的声音变化而产生轻微振动,经过压电陶瓷贴片将转化为电信号,通过放大电路将信号放大并加载在专门的红外发射二极管[2]将电信号转换为红外光信号发射出去。接收端用与之配套的红外接收二极管进行红外光信号的接收并转换为电信号,再通过信号放大和功率放大电路以驱动扬声器实现声音还原。
3 电路设计
激光、红外两方案所拾取的原始信号都是微小信号,因此必须经过信号放大电路放大。同时在收听时还要进行功率放大才能驱动扬声器。
3.1 信号放大电路
信号放大电路主要完成小信号的电压放大任务,其失真度和噪声对系统的影响最大,应优先考虑。此放大电路都带有反馈,具有良好的抗共模干扰能力。通过集成运算放大芯片NE5532构成了前置放大电路,NE5532内部有两个集成运放。
实验中第一个运放用作电压跟随,作用在于稳定信号。
第二个运放用作信号放大。输入电压为Ui,输出电压为U0,电位器阻值1～50K可调,则理论放大倍数为2～51可调。实验中可根据需要进行调整。
3.2 功率放大电路
音频功率放大电路是由集成功率放大芯片LM386构成的集成OTL电路。其作用是将输入的较微弱信号进行放大,产生足够大的电流去带动扬声器进行声音的重放。LM386芯片的优点具有静态功耗低、工作电压范围宽、元件少等优点,因此我们选择使用它来组建功率放大电路。
此电路的电压放大倍数为20~200倍数可调,我们将经过两级信号放大电路放大后的声音信号输入功放电路,同时通过调节电位器R1来改变输入功放电路的信号电压从而调节扬声器音量,实现声音的重放。
4 效果比较与分析
实验中我们将声源放在一个有机玻璃罩里,分别用两种方案装置进行了测试,并用示波器观察了还原之后的声音波形,通过测试综合分析两种方案的优缺点,可以得出如下结论:(1)从示波器记录的波形来看,两种方案的还原效果是不一样的,其中的干扰和失真产生的原因也不尽相同。在没有给声音信号时,红外方案的波形比较干净,而激光方案的波形则有许多的毛刺出现。这是由于光敏二极管外界环境下工作会受到环境光的干扰,而环境光对红外二极管却几乎没有影响。(2)从实验装置的使用距离和传输方式来考虑,红外方案和激光方案的感应距离都在5~10m,并且传输过程中不能有障碍物;(3)从可操作性来看,红外方案需要在声源盒上安放压电陶瓷片来拾取声音信号,而激光方案通过激光入射和反射就能很方便的拾取信号。
针对两种方案各自的缺点,可以做以下的改进:(1)在激光方案中,给光敏二极管加上一个遮光罩,就可以滤除大部分的可见光干扰;将红光激光换成红外激光,也可以减少可见光的影响。(2)利用滤波电路滤除不需要的信号来改善效果。(3)利用红外光的漫反射传播,在小范围内解决红外光的直线传播的缺点。
5 结语
本文围绕激光、红外两种声音信号无线收听方案,详细介绍了这两种方案的实现流程和实验电路,同时利用示波器的波形记录,分析了两种方案的干扰信号的来源。从还原效果、实用距离和可操作性等角度比较了两种方案的优缺点,并提出了具体的改进方案和措施,从理论上指导了它们的无线音频应用。
参考文献
1. 引言
波片作为位相延迟器,在与偏振光有关的光学系统中有着广泛的应用,如外差激光干涉 仪,偏振光干涉系统,偏光显微镜、椭偏仪、光隔离器、窄带光滤波器、可调光衰减器、光 盘驱动器光拾取头等等,其中波片的位相延迟误差会对系统产生影响[1]。正是由于波片在实 际光学系统中的广泛应用,波片的测量技术显得尤为重要。传统的测量方法有旋转消光法、 电光调制法、磁光调制法等,这些方法本质上都属于消光法,需要测角机构,使得整个系统 结构庞大,并且测角的精度会对测量结果产生很大的影响[2-6]。新型的测量方法包括激光频 率分裂法、激光回馈法等,激光频率分裂法精度很高,结构也很简单,但是需要对波片镀增 透膜,不适合实际生产的测量要求[7]。而激光回馈法中,待测波片在激光腔外,不需要进行 镀膜处理,而且整个系统中不需要测角机构以及高精度的检偏器,结构十分简单,因而大大 简化了测量的过程,很适合在线测量的需要。
激光回馈法是利用激光回馈中的偏振跳变现象,通过测量一个扫描周期中两个偏振态的 占空比来实现对波片的测量。由于在长期的测量过程中,很难保证激光器对于两个偏振态的 损耗完全相同,同时,波片的倾斜会造成两个偏振态的透过率不同,当两个偏振态的光强比 值发生变化时,会造成上述占空比的变化,最终导致测量结果产生误差。本文提出了一种双 向扫描测量的方法,可以从理论上完全消除这种误差源,有效地提高了该方法长期测量的准 确性。
测量装置:
图 1 激光回馈波片测量仪装置图
激光回馈波片位相延迟法的测量装置如图 1 所示,反射镜 M1、M2 及增透窗片 W 构成
半外腔单纵模 He-Ne 激光器,通过控制压电陶瓷 PZT2 可以使激光器始终在中心频率附近工 作;M3 为回馈镜,反射率为 10%,由压电陶瓷 PZT1 驱动,在计算器输出的三角波信号的 驱动下做往复运动;WP 为待测波片,其快轴方向与激光器的本征偏振方向一致;D1 为光 电探测器,探测激光器的光强信号,经放大器 APM 及 A/D 转换后送入计算机处理;P 为检 偏器,与光电探测器 D2 一起探测回馈信号的偏振信息。
在测量过程中,激光器保证始终工作在中心频率处,出射的线偏振光的偏振方向与波片 的快轴方向重合,PZT1 推动回馈镜 M3 来改变外腔腔长,则我们通过探测器 D2 可以探测 到偏振跳变的波形,根据激光回馈偏振跳变的理论,当回馈腔中存在双折射元件的时候,回 馈波形会产生偏振跳变现象,如图 2 所示。
2. 偏振跳变原理及误差源分析
2.1 o, e 光等效反射率及跳变原理
关于激光回馈偏振跳变理论已有文章做过详细的论述[8]。这里对该理论进行简化性的论 述。
我们把 M2 及回馈镜 M3 等效为 F-P 腔,由于回馈镜的反射率很低,所以我们只考虑
M3 的一次反射。记 M2 的反射系数为 r2 ,透射系数为 t2 ,回馈镜 M3 的反射系数为 r3 ,由 多光束干涉理论我们可以得到此 F-P 腔的等效反射系数为
其等效反射率为:
由于 r3 很小,可以忽略二阶项,于是等效反射率可简化为
R ? R ? 2 ? r ? r ? t 2 ?
而等效腔镜反射率的变化,将直接影响光强信号。所以当外腔没有双折射元件的时候,随着回馈镜的移动,光强呈现为随 L 变化的余弦波形。
当外腔存在双折射元件时,设 o 光方向为 x 方向,e 光方向为 y 方向。双折射元件产生 的位相差为? ,则此时 x、y 两个方向上的等效反射率不一样,分别为
图 2 激光回馈偏振跳变波形
当激光的偏振方向为 x 方向时,x 偏振态的等效反射率 R( x? x ) ? R( x ) 2?3 ,此时由于 y 偏振光 没有出射,并未进入到外腔,所以其等效反射率 R ? R2 ;当激光的偏振方向为 y 方向 时,由于 x 偏振光没有出射,并未进入到外腔,因此 x 偏振态的等效反射率 R ? R2 ,y 偏振光的等效反射率 R ( y? y ) ? R( y ) 2?3 。 对于激光器而言,出射激光的偏振方向取决于两个偏振态各自的损耗。而激光器的损耗与腔 镜的反射率密切相关,反射率越大,其损耗越小。假设初始激光器的偏振态为 x,L 的初始
位置位于 A 点,因此,从图 3 中我们可以看出,在 AB 段,R ( x- x ) > R( x-
,出射光保持为x 偏振态;在 B 点以后,
R ( x- x )
(略,想看可以看pdf原文)
2.2 迟滞效应的影响
当 L 向相反方向运动时,按照前边的分析方法,可以得到光强信号及对应的偏振态。 我们可以得到:L 正向运动和反向运动时,等效反射率所走过的路线不一样,偏振态跳变的 方向也不一样,如图 4 所示:当 L 正向运动时,由 x 偏振态跳变到 y 偏振态,x 偏振态所占 周期比大;而当 L 反向运动时,则是由 y 偏振态跳变到 x 偏振态,y 偏振态所占周期比大。 这就是激光回馈偏振跳变现象中的迟滞效应。
我们利用这种偏振跳变的现象,可以实现对波片位相延迟的测量。根据实验的结果,我
3?
4. 实验结果
图 6 为实际测量过程中的波形图。我们可以看到,x 偏振态和 y 偏振态的最大光强明显 不同,这也就说明,在整个回馈系统中,两偏振态的损耗是不同的。在长时间的测量过程中, 这种差异也会随之变化,这就对系统长期测量的一致性产生影响。通过同时测量上升沿和下 降沿的周期比,并对两个比值进行平均,可以有效的提高长期测量的稳定性。
图 7 为波片测量仪对一波片连续 8 小时测量的结果。我们可以看到,上升沿的测量结果 整体上是上升的,同时,对应的下降沿的测量结果整体趋势是下降的,因此,通过对二者进 行一个平均处理,补偿后的测量值没有明显的倾斜方向,这也就保证了该系统长期测量结
果的一致性。 由于在实际测量中,我们使用的是压电陶瓷作为驱动装置,来推动回馈镜正向移动和反
