基于项目训练的《薄膜光学》课程实践教学探讨

摘要：作为光学工程专业研究生课程之一，《薄膜光学》课程具有极强的专业性、抽象性和交叉性，其中学生实践环节的组织及其效果一直是教学中的短板。为了满足目前光电产业对薄膜工程师的迫切需求，笔者以激光陀螺小型化中遇到的陀螺读出拍频信号信噪比下降的实际科研问题为背景，以学生为主体，通过科研项目训练的方式，展开了一场实践教学演练，结果表明以项目训练方式推动《薄膜光学》实践教学的思路值得提倡。

关键词：薄膜光学；实践教学；激光陀螺

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）38-0123-02

目前，伴随着高清显示屏、智能手机和太阳能利用等的普及，光电产业界急需具有扎实动手能力和研发能力的光学薄膜工程师。然而，作为一个知识、技术和资金密集型的高科技产业，光学薄膜要求从业者不断地进行智力投资和知识更新，进一步加剧了薄膜工程师供不应求的现状。为更好地适应前沿科研和产业界的需要，多个大学和研究所纷纷开设了《薄膜光学》课程，代表性单位有浙江大学、中科院长春光机所、国防科技大学、西北工业大学、长春理工大学等，中科院上海光机所还经常组织光学薄膜暑期培训班。然而，由于《薄膜光学》是门专业性很强的交叉性工程技术学科，涉及数学、计算机、光电、真空、材料和自动控制等领域，课程内容多而课时短，往往造成在其课堂教学中易偏重于理论讲解，造成学生学完课程后仍然不清楚薄膜设计、制备和测试的实际过程，动手能力锻炼严重不足，实践教学长期处于教学短板。为此，笔者试着以实际科研项目训练的方式探讨《薄膜光学》实践教学的可行性及效果。

一、问题的提出

环形激光陀螺（RLG）作为惯性导航与制导的理想角速度敏感元件，在西方发达国家许多领域已取代了传统机电陀螺，特别是在飞机、军用舰船、潜艇、导弹、火炮、战车、运载火箭和卫星等载体上应用广泛。经过40多年发展，目前西方发达国家已形成多种大小、不同精度的RLG型号产品，以满足不同应用场合需求。尽管国内RLG批生产时间比美国晚约20年，目前在中、高等精度陀螺生产工艺和参数指标上与世界一流水平已基本相当，但在小型化激光陀螺研制上还存在一些差距。在激光陀螺小型化的研制过程中，发现随着陀螺体积缩小，氦氖气体有效增益长度开始减小，而气体放电产生的辉光强度却基本不变，这严重影响陀螺输出信号的信噪比，对信号解调和技术指标产生不利影响，因此有必要研究一种能压制氦氖气体放电辉光而又不影响陀螺有用信号的滤光片方案。

二、实践教学的过程及效果

为此，实践教学的第一步是先确定待研制滤光片的光谱指标要求，包括中心波长、峰值透射率、通带宽度、截止带宽度及截止深度等参数。为了让学生对激光陀螺的辉光有个直观的印象，我们安排学生自行从网上下载查阅典型的环形激光陀螺及其放电辉光的图片。有了直观印象后，学生们开始讨论如何获得激光陀螺的辉光谱线及其分布情况。主要有两种观点，一是查已发表的资料，看看能否借鉴，二是直接用宽带光谱仪进行测量。经过一周的搜集后，学生们大多只搜索到了氦氖激光器的可能的一些激光谱线，尚未发现环形激光陀螺辉光光谱的公开报道。论文搜集失利后，只能走用光谱仪测量的思路。为此，学生们采用研究所现有光栅摄谱仪SGM100，对激光陀螺的辉光和输出光进行光谱测试。根据测量结果，激光陀螺的辉光光谱范围较宽，从380～760nm都有次峰，但主要分布在570～760nm波段，最强的次峰为640nm，这与人眼感觉辉光偏红的现象较一致。

因此，待研制的滤光片中心透射波长应为632.8nm，峰值透射率尽可能高，且透射带半峰值宽度不大于7nm，截止带为570nm～760nm区间中除632.8nm波长处的中心透射带以外的波段，截止透射率尽可能低。由于陀螺中激光以S偏振态运转，因此只需考虑S偏振光情况。由于光电探测器在可见光区的灵敏度响应因子随波长增大而近似线性增大，因此滤光片对辉光的压制在长波区显得更重要些。

经过前期的膜系设计理论的学习，为了实现光学滤波，学生们纷纷提到了可以使用F-P滤光片结构，理由是其具有近似三角形的通带，并且可以通过串置组合的方式组成多腔滤光片实现矩形通带。具体设计时，学生们的意见出现了分歧，一种观点是可以根据对称膜系和导纳匹配的原理来解析设计多腔F-P滤光片，另一种观点是采用当今强大的膜系设计软件中提供的自动合成方法进行全局设计，寻找最优解。为了激发学生的主动性，体验科研道路选择的多样性，将设计工作分成两个小组，一个小组负责用对称膜系等效折射率和导纳匹配层折射率的相互配合的解析设计方法，来构建多腔F-P滤光片的结构，最后用光学薄膜软件OpenFilter的计算分析功能进行光谱性能确认，另一个小组则直接用光学薄膜设计软件Optilayer中提供的“WDM Filter Design”自动设计模块方法进行全局寻优，设计时间都是两周。经过两周的设计，出现了有意思的情况，不同小组给出的结果既有相同又有不同的膜系结构，同一小组不同的设计学生给出的结果也多种多样，比如有17（10）和19（11）等单腔滤光片，19（6，16）和23（3，16）等双腔滤光片，以及19（3，10，18）、23（4，13，22）等三腔滤光片。这些不同设计结果表明，学生们已能较熟练地使用课堂上所学的解析设计方法或自动合成方法，能根据自身需要利用薄膜软件进行独立设计与分析，超出了教员原本预期的效果，从侧面反映了这种实践教学思路确实有助于提高学生的主动性和动手能力。另外，工程上希望滤光片设计通带具有一定的平坦度，能够容忍一定的膜厚随机误差。理论上，19（3，10，18）这个三腔滤光片以45°从空气中入射时中心波长为632.8nm，其附近通带较为平坦，峰值透射率为97.5%，半峰值宽度为22.5nm，而且矩形度较好，截止区的宽度和深度也都能满足要求，故选用上述滤光片作为首次试镀结构。

在进行样品试镀时，学生们现场观摩了超净间镀膜室的设备情况和镀膜过程，就课堂教学时讲解的真空获得装置，如机械泵、罗茨泵、低温泵等进行了现场确认，对其控制部分如低阀、预阀和高阀进行了初步操作，对镀膜样品仓、基片清洗、基片转盘、膜材料靶材、离子源等进行了细节提问，对膜厚监控的监控设备和监控软件进行了初步了解，在教员的指导下完成了上述滤光片的制备。一系列程序下来，学生尽管感觉镀膜操作步骤比较多，但都觉得镀膜不再那么神秘，课堂上讲解的科学过程大多都得到了具体体现，相信经过一段时间的练习或培训后，可以逐步胜任镀膜工程师的日常工作。

待镀制完样品，就可以取出样品，进行实践教学的第四步――薄膜光谱测试了。光谱测试所用的仪器是lambda950分光光度计，首先带领学生参观了光度计的外观和内部光路情况，指出了保证测试环境和操作过程洁净的重要性（避免膜片被污染），并现场演示了其测量过程。首先开启分光光度计电源按钮，待其光源预热稳定一段时间后，再开启其控制软件，选择一种光谱扫描测量方法，观察光斑形状是否正常，待其正常后即可进行初始化，然后将样品至于光路中心，即可展开透射谱测试。在测量的过程中，就课堂教学提到的样品口径、厚度、楔角、后表面等因素对测量结果的影响，进行了光路现场剖析观察，学生普遍反映这种教学方式使知识和技巧容易理解多了，对lambda950这种贵重测量设备也不再发怵，能够从容进行科学严谨的薄膜光谱测试。

测量完成后，还应该对其进行理论分析，一是看是否按理论预测情况发展，如果不是，找出偏移量，以反馈给镀制控制过程参考，以便下一次修正控制参数。对比其理论曲线，学生们发现了一个较明显的区别，即实测曲线较理论曲线向短波平移了约14nm，这意味着整个滤光片镀薄了一些。为了准确确定该偏移量，根据测量的透射谱，让学生们利用研究所自研的多层膜反向工程软件，对所镀滤光片进行膜系结构反演，反演出的实际膜层几何厚度约为理论值的0.98倍，发现拟合曲线与实测曲线吻合地很好。观察此时45°入射时的计算透射曲线，发现632.8nm处的透射率为92.9%，640nm处的透射率为66.2%，640nm以上的辉光谱线都处于滤光片的截止带中，这恰恰是应用中我们特别关心的。最后，为了进一步确认该滤光片的辉光效果，将该滤光片胶合在陀螺的输出镜后表面，用示波器观察陀螺信号与噪声的幅值变化，发现信号强度约下降了20%，噪声强度约下降了80%，表明辉光滤除的效果显著，任务圆满完成。

三、结论

综上所述，笔者以小型激光陀螺输出信噪比随腔长减小而下降的实际科研问题为背景下，通过光谱要求提出、膜系设计实现、光学监控制备、薄膜光谱测试和膜系结构反演等五个方面，展开了一场别开生面的《薄膜光学》课程实践教学活动，与学生为主体，以教员为引导，一起研制了压制氦氖气体放电辉光的窄带滤光片，从光学上显著改善了小型激光陀螺的信噪比，简化了后续电路处理的复杂度。在圆满完成该工程项目的同时，学生们完整参与了薄膜研发全过程，在薄膜指标提出、膜系设计、镀膜操作、光谱测试和反向工程等方面很好地锻炼了动手能力，能活用课堂教学获得的知识点，掌握了光学薄膜软件的设计、分析和反演能力，熟悉了镀膜机真空获得和光学监控的操作过程，学会了使用分光光度计对薄膜进行光谱测试等核心技能，表明以项目训练方式推动《薄膜光学》实践教学效果是值得提倡的。