加強(qiáng)光學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代工程應(yīng)用的聯(lián)系*

毛紅敏 王曉丹 臧濤成

(蘇州科技大學(xué) 江蘇 蘇州 215009)

加強(qiáng)光學(xué)教學(xué)與現(xiàn)代工程應(yīng)用的聯(lián)系*

毛紅敏 王曉丹 臧濤成

(蘇州科技大學(xué) 江蘇 蘇州 215009)

為實(shí)現(xiàn)高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的目標(biāo)，以光學(xué)課程的課堂教學(xué)為例，分析了反射和折射理論在光纖通信、智能產(chǎn)品、生物檢測等現(xiàn)代工程應(yīng)用中的具體案例，展示了基礎(chǔ)理論的多領(lǐng)域應(yīng)用特性；通過課堂教學(xué)中理論和實(shí)踐的聯(lián)系，使學(xué)生重視基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí)，同時(shí)提高學(xué)生利用理論知識分析問題、解決問題的能力，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)業(yè)精神．

大學(xué)物理教學(xué) 光學(xué)理論 工程應(yīng)用

為適應(yīng)從制造大國向創(chuàng)新強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變，國家對高等教育提出新的要求，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)精神，善于將創(chuàng)新的理論成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的高素質(zhì)人才[1]．但是，目前高等學(xué)校部分課程的課堂教學(xué)還不能適應(yīng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的培養(yǎng)目標(biāo)．例如，在光學(xué)課程教學(xué)中：

(1)反射定律、折射定律、干涉、衍射和偏振等理論講解的重點(diǎn)僅僅是向?qū)W生傳輸光學(xué)知識，不重視這些知識與現(xiàn)代工程應(yīng)用的具體聯(lián)系；

(2)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的重點(diǎn)在于單個理論或知識點(diǎn)的驗(yàn)證工作，如反射系數(shù)測量，光偏振態(tài)的檢驗(yàn)[2]，雙縫干涉和牛頓環(huán)等現(xiàn)象的觀察，而基于光學(xué)理論開展的綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少．

光學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)側(cè)重于向?qū)W生單向輸入知識，側(cè)重于增加學(xué)生掌握知識的數(shù)量，這種教學(xué)模式忽視了培養(yǎng)學(xué)生輸出知識的能力，即應(yīng)用知識解決實(shí)際問題的能力．然而大學(xué)生畢業(yè)后進(jìn)入實(shí)際崗位工作，大學(xué)時(shí)期學(xué)習(xí)的只有較少比例的基礎(chǔ)理論能夠直接應(yīng)用到實(shí)踐中，導(dǎo)致在學(xué)校認(rèn)真做作業(yè)、考高分的學(xué)生較難在工作中展現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢．這種現(xiàn)象使部分學(xué)生認(rèn)為大學(xué)學(xué)習(xí)的理論知識沒有太多的實(shí)際用處，不重視學(xué)習(xí)．優(yōu)化課堂教學(xué)內(nèi)容，增加理論知識在現(xiàn)代工程中應(yīng)用的具體案例，使學(xué)生理解理論的基礎(chǔ)性和在工程應(yīng)用中的指導(dǎo)性地位，在此基礎(chǔ)上，借助設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用基礎(chǔ)理論解決實(shí)際問題的能力，從而實(shí)現(xiàn)高等教育培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目標(biāo)．

本文以學(xué)生熟悉的反射和折射定律為例，介紹其在光纖通信、智能產(chǎn)品及生物檢測等不同領(lǐng)域中的應(yīng)用．

1 光的反射理論在現(xiàn)代工程中的應(yīng)用

光的反射定律內(nèi)容比較簡單，使部分學(xué)生對反射定律在現(xiàn)代工程應(yīng)用中的重要性認(rèn)識不足，認(rèn)為其主要應(yīng)用是制造各種反射鏡．事實(shí)上，目前仍然有很多看似復(fù)雜的工程技術(shù)問題可以利用反射理論進(jìn)行解決．

1.1 反射理論在光通信工程中的應(yīng)用

光纖通信在現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)中起著舉足輕重的作用，是各種信息傳送的主要方式．如何測量一卷通信光纜的長度，如何確定地震等自然災(zāi)害引起海底光纜斷裂的具體位置，如何檢驗(yàn)成品光纜的損耗參數(shù)等，都是看似非常復(fù)雜的工程技術(shù)問題，然而基于光的反射原理設(shè)計(jì)制造的光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)能夠方便地解決這些問題．

OTDR基本結(jié)構(gòu)[3]如圖1所示，主要由激光器、控制系統(tǒng)、探測器、顯示器和光纖耦合器構(gòu)成，其基本原理是激光器輸出光信號，通過耦合器進(jìn)入待測光纖，光纖中的反射光通過耦合器進(jìn)入探測器，再由控制系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)處理顯示．

圖1 OTDR原理示意圖

OTDR測量光纖長度的原理曲線如圖2所示，A和B兩個較強(qiáng)光信號，分別對應(yīng)于入射端和出射端的反射光信號．

圖2 OTDR測量光纖長度原理圖

因?yàn)樵诠饫w始端，光從空氣進(jìn)入光纖，具有較強(qiáng)的反射光；在光纖末端，光從光纖進(jìn)入空氣，也具有較強(qiáng)的反射光．利用公式(1)，根據(jù)接收到的末端反射光信號與發(fā)射光信號的時(shí)間差Δt，即可計(jì)算出光纖的長度．

(1)

式(1)中n是待測光纖的折射率，c是光在真空中的速度．基于光的反射原理設(shè)計(jì)制造的OTDR，只需要利用光纖的1個端口進(jìn)行光信號的輸入，就能夠快捷方便地測量光纖長度，確定光纖斷裂點(diǎn)的位置．

圖3為國產(chǎn)OTDR儀器的實(shí)物圖，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合控制和顯示系統(tǒng)，能夠得到通信光路中光纜的更多參數(shù)信息，如光纜的損耗和光纜通道中各種連接方式等參數(shù)．

圖3 國產(chǎn)OTDR儀器圖

1.2 反射理論在半導(dǎo)體激光器光路中的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光二極管對溫度非常敏感，其輸出功率隨溫度的變化會發(fā)生較大幅度的波動．因此，在半導(dǎo)體激光器中需要有溫度控制系統(tǒng)或功率控制系統(tǒng)對其輸出功率進(jìn)行調(diào)控．如圖4所示的功率控制系統(tǒng)，需從激光二極管的輸出光路中分離出部分能量用于反饋．利用玻璃和空氣界面光的反射，在輸出光路中放置一片平板玻璃，能夠方便地分離部分光能量，提供給探測反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器功率的穩(wěn)定輸出．

圖4 半導(dǎo)體激光器功率控制模塊原理圖

2 光折射理論在現(xiàn)代工程中的應(yīng)用

透鏡是利用折射定律制造的典型光學(xué)元件，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，傳統(tǒng)應(yīng)用包括望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)、顯微鏡和投影儀等典型光學(xué)系統(tǒng)．目前，車載攝像記錄儀、小區(qū)監(jiān)控?cái)z像機(jī)、視頻門禁對講機(jī)、智能手機(jī)、無人機(jī)及智能家居控制系統(tǒng)等迅速發(fā)展的新型產(chǎn)業(yè)，都與透鏡光路系統(tǒng)緊密聯(lián)系．另外，棱鏡和柱面透鏡在工程技術(shù)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用．

2.1 棱鏡在指紋識別系統(tǒng)的應(yīng)用

光學(xué)式指紋識別系統(tǒng)在指紋考勤機(jī)，指紋鎖及考試身份識別機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用．圖5為光學(xué)指紋識別原理圖，光從光源射向三棱鏡，棱鏡底面指紋凹陷處，光線被全反射，指紋凸起處由于油脂和汗液與棱鏡接觸，光線被散射．光學(xué)器件收集到全反射和散射的光，再通過成像系統(tǒng)成像在傳感器上，由信息控制系統(tǒng)進(jìn)行處理，生成一副高對比度的黑白圖像與原有圖像進(jìn)行對比判斷．

圖5 光學(xué)指紋識別原理圖

2.2 柱面透鏡原理及在流式細(xì)胞儀的應(yīng)用

光學(xué)系統(tǒng)不僅僅在信息領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，在生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用空間．

2.2.1 柱面透鏡成像原理

大學(xué)仍然是以圓透鏡為主進(jìn)行理論的講解，而由一個平面和一個柱面構(gòu)成的柱面透鏡，在光學(xué)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用．柱面透鏡的基本原理仍然是光的折射定律．圖6所示的平凸柱面透鏡只在與軸垂直的方向(屈光力子午線方向)聚焦而與軸平行的方向(軸向子午線方向)沒有聚焦功能[4]．圖6(a)所示光線沿屈光力子午線方向通過柱面透鏡時(shí)，會出現(xiàn)聚散度的改變，圖6(b)中光線沿軸向子午線方向通過柱面透鏡時(shí)不會出現(xiàn)聚散度的改變．把兩個柱面透鏡垂直方向放置，能根據(jù)需要獲得長短軸不同比例的橢圓光斑．

圖6 光線通過柱面透鏡傳播原理圖

2.2.2 柱面透鏡在流式細(xì)胞儀的應(yīng)用

流式細(xì)胞儀是對細(xì)胞進(jìn)行自動分析和分選的裝置，可以快速測量、存貯、顯示懸浮在液體中的分散細(xì)胞的特征參量[5]，利用流式細(xì)胞儀對生物醫(yī)學(xué)細(xì)胞進(jìn)行檢測，需要長短軸特定比例的橢圓光斑，照射到待測細(xì)胞上．激光二極管發(fā)出的光斑形狀很難直接滿足測量的要求，實(shí)際應(yīng)用中，在光的傳播光路中放置柱面透鏡對光斑形狀進(jìn)行整形．如圖7所示為流式細(xì)胞儀的光路部分示意圖，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)透鏡進(jìn)行會聚后，再由柱面透鏡系統(tǒng)整形為特定比例的橢圓光斑．根據(jù)橢圓光斑參數(shù)的需要，選擇合適的柱透鏡參數(shù)及位置，能夠?qū)崿F(xiàn)特定形狀橢圓光斑參數(shù)的要求．

圖7 流式細(xì)胞儀光路示意圖

3 結(jié)論

反射和折射定律及其在不同方面的工程應(yīng)用表明基礎(chǔ)理論是相對固定的，但基礎(chǔ)理論的應(yīng)用是多領(lǐng)域的；基礎(chǔ)理論的創(chuàng)新是比較困難的，但基礎(chǔ)理論在應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新卻是每位同學(xué)通過努力能夠?qū)崿F(xiàn)的．因此，教師在課堂教學(xué)過程中，講解理論之前提出問題，讓學(xué)生思考理論在實(shí)際中如何得到應(yīng)用，理論講完之后結(jié)合實(shí)例分析理論的具體應(yīng)用．課堂教學(xué)既重視基礎(chǔ)理論的講解，也與時(shí)俱進(jìn)，把基礎(chǔ)理論與現(xiàn)代工程應(yīng)用結(jié)合起來，使學(xué)生感受到理論的實(shí)際價(jià)值，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和能動性．在課堂教學(xué)過程中，通過提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，優(yōu)化學(xué)生的思維方式，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使在學(xué)校認(rèn)真學(xué)習(xí)、積極思考的優(yōu)秀學(xué)生，充滿自信的離開大學(xué)校園，在工作崗位上展現(xiàn)出優(yōu)秀的工作實(shí)力．

1 李孟歆，欒方軍，劉劍,等.高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才培養(yǎng)模式探索與實(shí)踐.教育教學(xué)論壇，2015，51(12):118～1192 劉建一，王旎菡，李思嘉，等.多能功偏振光演示儀在教學(xué)中的應(yīng)用.物理實(shí)驗(yàn)，2014，34(10): 41～44

3 秦雙華.OTDR測試原理與常見測試曲線簡析.有線電視技術(shù)，2012(3):110～113

4 胡玉禧.應(yīng)用光學(xué)(第2版).合肥：中國科技大學(xué)出版社， 2009.222～223

5 趙書濤,武曉東,王策,等.流式細(xì)胞儀的原理、應(yīng)用及最新進(jìn)展.現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)進(jìn)展,2011，11(22):4 378～4 381

Highlights:In order to realize the goal of cultivating innovative talents in higher education,the optical reflection and refraction theories are analyzed in modern engineering applications,such as optical fiber communication,intelligent products and biological detection,etc.These concrete cases show that the basic theory is used in multiple industries.These examples enable the students recognize the importance of the basic theory,and promote the students to analyze and solve problems with the theory knowledge. So it is achieved to cultivate students' innovation ability and arouse their entrepreneurial spirit.

StrengtheningtheConnectionofOpticalTeachingandtheModernEngineeringApplication

MaoHongminWangXiaodanZangTaocheng

(SuzhouUniversityofScienceandTechnology,Suzhou，Jiangsu215009)

college physics teaching;optical theory;engineering application

*教育部高等學(xué)校物理學(xué)類專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會、中國高等學(xué)校實(shí)驗(yàn)物理教學(xué)研究會物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：01-201601-36；校級重點(diǎn)專業(yè)(應(yīng)用物理學(xué))建設(shè)項(xiàng)目，項(xiàng)目編號：2013ZYXZ-08

毛紅敏(1976- )，女，博士，講師，主要從事光電子技術(shù)及電磁波在介質(zhì)中傳播研究.

2017-02-09)