实验内容

内容一：光路的搭建

（1）打开光路原理图。

（2）按照光路图所示搭建光路。

（3）打开数据记录表格，按照要求进行实验。

 

内容二：强激光下材料超快动力学

步骤1：预习自测题

操作目的：帮助学生巩固学生预习的内容，以便顺利完成后期实验操作。

图1 预习自测题（观察法+自主学习式）

实验操作提供了教学模式和考核模式两种教学模式，教学模式中提供了实验操作步骤提示和操作说明。该项设计是为了更好的学生可以根据自己的学习情况，选择合适的操作模式，进入实验操作后，学生该阶段实验操作主要包含了超快诊断技术光路搭建的关键步骤交互操作，光路优化交互操作，不同物理模型分析与总结交互操作，最终对待测样品进行实际测试与分析，形成实验报告。

步骤2：打开激光光源，加入准直系统，对激光束进行扩束

操作目的：主要是为了减小相位物体与主光斑直径的比值，提高系统测量灵敏度。

操作过程：相位物体的大小大约为0.7mm，改变准直镜的放大倍数，使光斑的尺寸为相位物体的10倍左右。进入操作界面，通过鼠标右键点击准直扩束系统的底座，在弹出对话框的参数设置中，改变扩束镜的放大倍数，满足实验光路的需求。同时利用白屏观察前后移动时应观察到准直后的光斑尺寸变化非常小。

 

图2 利用准直扩束镜扩束前和扩束后的激光光斑效果图（比较法+自主学习式）

步骤3：调节分束镜1的分光比为9:1左右

操作目的：该操作要求学生学会选择合适的分束镜，首先通过调节分束镜的分光比来初步实现，从而使大部分激光能量作为泵浦光。

操作过程：进入操作界面，通过鼠标右键点击分束镜，设置比例参数，通过能量计进行观察比较，将大部分能量分配给泵浦光，少量的能量分配给探测光。

图3 分束镜分光效果图（比较法+自主学习式）

步骤4：测量泵浦光路和探测光路的光程，并移动延迟线的位置

操作目的：该步骤要求学生充分理解两种光程的测量，由于在测试过程中需要产生负延迟和正延迟，则就需要将延迟线放置在合适的位置，且负延迟要求要很短。

操作过程：利用直尺测量两个光路的光程，通过点击移动平台底部，改变位移平台的位置。左键双击精密位移台的镜片边缘，会弹出一个观察界面。鼠标左右键点击精密位移台的移动底座，界面上的延迟时间会发生变化，这里，将延迟时间调节到-100ps。

图4 延迟时间的实现（转换法+自主学习式、互动式）

在线下实验光路中，探测光的焦点位置需要确定，同时要求将样品放置在探测光的焦点位置。该步骤需要学生完成3个子步骤的操作。

步骤5：挡住泵浦光，消除泵浦光对探测光的影响

操作目的：要准确寻找探测光的焦点位置，需要消除泵浦光对探测光的影响。

操作过程：鼠标左键点击一个光屏，放置在泵浦光路中。

图5 利用光屏挡住泵浦光（比较法+自主学习式）

步骤6：通过调节探测光路中的衰减片增大探测光的能量，使其大于1μJ

操作目的：使提供较高的激光能量，使具有双光子吸收或者激发态吸收的样品在焦点附近移动时能量计的示数有变化。

操作过程：利用鼠标左键和右键点击连续可调的能量衰减片的顶部，或者右击底座，在弹出对话框中设置转角，可连续调节激光能量的大小，但该方法不能改变激光的偏振态，同时光强会存在分布不均匀的状况，结合第9操作步骤的操作方法，可做对比。

图6 利用连续可调的能量衰减片连续调节激光能量的大小（比较法+自主学习式）

步骤7：利用具有双光子吸收或者激发态吸收特性的标准样品寻找探测光的焦点，或者通过观察白屏上光斑的尺寸来确定探测光的焦点。（该处根据不同能力的学生选择焦点确定方式）

操作目的:利用激光在焦点处的光斑尺寸最小，且光强最强的原理确定焦点的位置。

操作过程：左键点击样品，向焦点位置移动样品，样品的透射率有明显的降低，确定能量最低的位置（Z扫描原理），从而找出探测光路的焦点位置，将样品放置在焦点位置。或者在探测光路中移动光屏，观察光屏上光斑的大小，光斑尺寸最小的位置为焦点位置。通过该操作，使学生理解在焦点位置激光光斑的尺寸最小，强度最强。

图7 焦点处光斑尺寸（自主学习+互动）

步骤8：移动泵浦光的主透镜，使泵浦光在样品上的光斑大小约为探测光的10倍左右

操作目的：对于泵浦光，样品不要求放置在焦点位置，且为了使探测光的探测区域的泵浦激光光强尽可能保持均匀，因此泵浦光在样品上的光斑尺寸要大于探测光的10倍左右。

操作过程：左键点击泵浦光路中的凸透镜，同时双击非线性样品的后表面，显示光路信息，移动透镜的位置，使作用在样品上泵浦光的光斑大大小发生变化，满足最终测试条件要求。同时还要注意透镜与泵浦光的光轴要重合。

图8 泵浦光和探测光在样品上的光斑大小（比较法+自主学习式）

步骤9：调节泵浦光的偏振与探测光的偏振方向为垂直

操作目的：在该实验中，指定两束激光之间的偏振方向相互垂直，线性实验操作中可以有多个偏振关系。帮助学生巩固所学的光学基础知识。

操作过程：该操作需要考虑激光本身的偏振，采用科学推理法，先利用能量计放置在探测光路中，移除光路中的半波片，将探测光的偏振调制到与激光的偏振一致（能量计显示最大值），然后调节泵浦光偏振方向，使其能量最小。

图9 调节泵浦光和探测光的偏振方向垂直（科学推理法+自主学习式）

步骤10：利用半波片和偏振片，对泵浦光的能量进行调节，并获得合适的能量值。通过能量计进行观察

操作目的：掌握半波片和偏振片组合调节脉冲激光的能量的方法。

操作过程：通过调节半波片角度，调节泵浦光的能量大小，符合测量要求，不改变泵浦光的偏振方向。注意，该方法与前面连续衰减片调节方法的区别，且该方法可以任意设定激光的偏振方向。该步骤帮助学生熟练掌握波片、及偏振片的功能，以及两者组合后能够实现能量的连续可调。

图10 利用半波片和偏振片组合连续调节泵浦光能量的大小（比较法+自主学习式）

步骤11：利用半波片和偏振片，对探测光的能量进行调节，并获得泵浦光0.01左右的能量值（通过能量计进行观察。和第9步调节原理一样）

操作目的：该操作是为了将探测光的能量降低到一定程度，不影响实验结果。

操作过程：使学生进一步熟练能量连续可调的操作。同时需要将能量调低到使探测光对样品的作用可以忽略不计，不影响最终的实验结果的大小。

图11 利用连续可调的能量衰减片连续调节探测光能量的大小（比较法+自主学习式）

步骤12：调节泵浦光的方向，使其光斑和探测光斑在样品上重叠到最佳状态

操作目的：该操作的主要目的是将探测光尽量处于泵浦光斑的中心，使实验测量灵敏度达到最高。

操作过程：通过调节泵浦光路中的反射镜角度，双击样品的后表面，调出光程显示窗口，观察两个光斑的重叠程度对测量结果的影响，采用科学推理法，优化到最佳状态时，透射的能量达到最低值。此时两束激光的光斑中心之间的距离应是最小值。

图12 泵浦光和探测光在样品上重叠状态（科学推理法+自主学习式、团队合作式）

步骤13：利用直尺进行测量，将相位物体放置在探测光主透镜的一倍焦距和两倍焦距之间

操作目的：该操作使相位物体在成像位置成放大的像，方便后期利用小孔和能量计对相位物体成像区域内的能量进行采集。

操作过程：移动样品的位置，使通过样品后相位物体的像成放大的像，方便材料折射变化的超快测量。该操作需要先确定透镜的焦距。

图13 相位物体的放置（比较法+自主学习式）

步骤14：优化小孔光阑的大小，使其大小恰好或者比相位物体的像小一点

操作目的：利用小孔，使相位物体的成像区域内的能量通过小孔，其他光被阻隔。该步骤可以帮助学生了解相位相干成像原理，相位物体是透明的，但经过焦点处被泵浦光激发的样品后，与折射相关的相位发生了变化，从而导致相位物体在成像位置的区域会被调制一部分光强到相位物体的成像区域，与原有相位物体区域内的光源发生干涉，使相位物体区域内的信号增强，方便后期对折射的测量。

操作过程：双击小孔的中部，打开小孔的细节，右击小孔的底座，打开参数设置，即可调节小孔的大小，带系统显示满足实验要求后即可。小孔越大，透过的光斑越大，不符合实验要求，该步骤实现的是系统自动判断小孔大小是否符合实验要求。

图14 小孔光阑的设置界面（自主学习式）

步骤15：选择具有双光子吸收特性的样品，改变参数，观察吸收和折射曲线的变化，并进行总结分析

操作目的：该模型只涉及能量、厚度、浓度及双光子吸收系数等，改变这写参数都会对实验结果产生影响，该模型比较简单，只涉及两个参数的变化，方便学生分析数据结果。

操作过程：双击样品的前表面，出现样品的选择界面（下同），选择ZnO样品，该样品为典型的双光子吸收的材料，具有代表性。进入过程显示界面后，可以通过手动调节观察某一个时间延迟时粒子的跃迁状态以及对透射能量的影响。该要求学生改变两个参数两次，并将两次区别写入实验报告中，总结改变参数后对实验结果的影响。

图15 双光子吸收模型虚拟仿真界面（比较法+自主学习式、团队合作式）

步骤16：选择双光子诱导激发态吸收特性的样品，改变载流子吸收截面与寿命参数，观察电子运动过程与吸收及折射曲线的变化关系

操作目的：观察双光子诱导激发态吸收物理模型的特征，通过参数设置改变不同的参数，观察每个参数对实验结果的影响。

操作过程：操作步骤与双光子吸收模型的操作相同。与双光子吸收物理模型的结果作对比，可以看出在零延时点附件存在一个超快过程，但正时间延迟后的结果与载流子的吸收截面和寿命相关，透射率不能在短时间内恢复。指出两个模型之间的区别，写入实验报告中。

图16 双光子诱导激发态模型虚拟仿真界面（科学推理法+团队合作、问题探究）

步骤17：选择三能级激发态吸收的样品，改变2个能级的相关参数，观察电子运动过程与吸收和折射曲线的变化关系。

图17 三能级激发态吸收模型虚拟仿真界面（科学推理法+团队合作式、问题探究式）

操作目的：选择比较简单的激发态三能级物理模型的材料进行分析，简单描述每个参数对材料透射率的影响。

操作过程：操作过程同上。三能级激发态吸收模型的电子运动过程比较简单，只涉及第一激发态的吸收截面和寿命，学生通过模拟仿真，比较容易理解材料吸收与折射和电子运动过程之间的关系。

步骤18：选择五能级激发态吸收的样品，改变多个能级的各个参数，观察电子运动过程与吸收和折射曲线的变化关系

操作目的：选择比较复杂的材料机制进行分析，简单描述每个参数对材料透射率的影响。

操作过程：操作过程同上。但五能级模型的实验结果比前面几个模型的结果要复杂，涉及多个能级的吸收截面及寿命，因此曲线的变化趋势也比较丰富。通过该参数的交互操作，进一步加深学生对电子运动过程和材料吸收系数与折射率变化之间的关系。

图18 五能级激发态吸收模型虚拟仿真界面（自主学习+团队合作+问题探究）

步骤19：选择待测样品，获得随机的吸收或者折射透射率曲线。

操作目的：该操作提供一个未知样品给同学，要求学生利用前面学习过的理论模型及实验结果，对该未知样品进行分析和总结。

操作过程：对于每个同学，课程实验都会提供一个随机的样品，通过点击界面上的“进行检测”该样品的透射率曲线（含吸收和折射），采用逆向思维法、科学推理法，通过分析确定该样品的电子运动过程，代入物理模型，学会所测数据进行数据拟合，获得最终参数。（学以致用）

 

图19 随机待测样品测量虚拟仿真界面（逆向思维法、科学推理法+自主学习式、团队合作式、互动式、问题探究式）

内容三：拓展性实验

（1）第一步：进行焦距的测量实验。

（2）第二步：进行光的偏振实验。

（3）第三步：进行光的干涉实验。

（4）第四步：进行高斯激光的光斑空间分布实验。

（5）第五步：进行4f成像系实验。

（6）第六步：进行空间滤波实验。

（7）第七步：进行4f相位相干成像技术实验。

（8）第八步：进行Z-scan扫描实验。