科研仪器在光电信息科学与工程系专业实验中的应用
摘要：随着光电信息领域近十几年来的快速发展，光电信息科学与工程专业迎来了更多的机遇。本专业不仅要求学生掌握扎实的理论知识，还需要学生具备实践和创新能力。本文以江南大学理学院光电信息科学与工程系为例，介绍科研仪器在创新教育与实验教学中的应用。结合科研仪器的先进实验教学将全面提高大学生的综合素质，为社会培养更多创新型的人才。
Abstract： With the rapid development in the field of optoelectronic information over the past decade， the optoelectronic information science and engineering profession ushers in more opportunities. The major not only requires students to master a solid theoretical knowledge， but also requires students to have practical and innovative ability. This article takes the Department of Optoelectronic Information Science and Engineering of the School of Science of Jiangnan University as an example to introduce the application of scientific research instruments in innovative education and experimental teaching. The advanced experimental teaching that applies scientific research instruments will comprehensively improve the overall quality of college students and train more innovative talents for the society.
关键词：科研仪器；专业实验；光电信息科学与工程
Key words： scientific research instruments；Professional Experiments；optoelectronic information science and engineering
中图分类号：E933.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）21-0236-02
0 引言
随着光电信息领域近十几年来在平板显示、机器视觉、生物探测、量子通信和量子计算等方面的高速发展，光学相关产业正在占据越来越大的市场分额，光电信息科学与工程专业迎来了更多的机遇。目前，国内有100多所高校开设了这个专业，其中江苏省就有十几所，如南京大学、南京理工大学、苏州大学和江南大学等。该专业主要学习光学、机械学、电子学及计算机科学基础理论及专业知识。要求学生了解光电信息技术的前沿理论，把握当代光电信息技术的发展动态，具有研究开发新系统、新技术的能力，接受现代光电信息技术的应用训练，掌握光电信息领域中光电仪器的设计及制造方法，具有在光电信息工程及相关领域从事科研、教学、开发的基本能力。为了达到这样的培养要求，本专业不仅要开设高质量的理论课程，还需要开设较多的实验课程，以增强学生的实践能力和创新能力。但总的来说，目前各高校在实验教学中使用的一般是教学示范类的实验仪器，这些仪器存在测量精度低、功能单一、落后于现代科技的缺点。使用这些仪器只能开展验证性和综合性的实验，极大的限制了学生创新能力和实践能力的培养。
1 科研仪器在实验中应用的现状
科研仪器是“双一流”高校优质的教学资源，是进行高水平实验教学和科学研究的重要工具，也是高等学校办学实力和科研水平的重要标志。目前很多高校已经开展了科研仪器在教学中应用的探索研究工作[1-3]。北京工业大学和上海交通大学针对本科教学，开展了多种与大型仪器相关的必修课、选修课、创新实践课、相关应用及竞赛等[4]。浙江大学国家力学实验教学示范中心从科研仪器设备资源共享、实验室开放式管理、提高实验技术人员综合素质以及结合科研模式等方面阐述加强科研仪器设备在创新实验教学中的应用[5]。
江南大学所处的无锡为长三角经济圈的中心地带，聚集了大量的激光技术、光电通信技术、光伏太阳能、LED照明与能源、光电子材料与光电元器件等方面的企业，这给本专业的发展带来了极大的机遇，也给本专业学生的就业与创业提供了广阔的平台。据学工老师反馈，光电专业学生每年有近80%在长三角地区的相关企业就业。然而，目前光电领域从业的高学历人员人数远达不到行业的需求，长三角地区的光电企业急需高校培养专业基础扎实、能快速适应行业要求、具有创新精神的高级技术人才。
2 科研仪器在光电系实验教学中应用的实践
本文将以江南大学理学院光电信息科学与工程系为例，介绍科研仪器在创新教育与实验教学中的应用。科研仪器价格昂贵、操作较为复杂，需要开设专门的实验课程让学生掌握正确的操作方法和使用注意事项。在能够熟练使用仪器的基础上进行探索性的实验。科研仪器具有极高的测量精度，这些高水平的實验可以提高学生的精密操作能力和对实验现象的深入理解，为以后的工作和学习铺平道路。近年来，本专业特别重视学生实践和创新能力的培养，为此开设了专业实训课程，在这些实训课程中已经将部分科研仪器应用到了教学中并取得了很好的效果。
2.1 真空镀膜实验
真空镀铝始于1933年，是真空镀膜研究最早的领域。真空镀铝从实验室逐步达到工业生产规模，从制镜工业发展到光学制品、电子部件、钢板镀铝以及塑料制品镀铝等工业，发展潜力极大。近年来，塑料薄膜镀铝技术在各种领域得到广泛应用，包括轻纺、电子部件、包装、印刷、装饰与建筑材料等等，深受国内外的普遍重视。我国有些单位也开始开展相关研究工作，但遇到了许多诸如设备、工艺、材料等问题，尤其是涉及真空镀铝基础性问题的技术难关，影响真空镀铝工业的发展。本实验通过使用真空镀膜设备，让学生掌握真空镀铝的基本技术。
2.2 半导体光电器件制备工艺实验
利用磁控溅射开展氧化物和氮化物半导体材料的物理生长，研究材料的溅射生长原理和生长参数对于材料的影响。通过基本的表征手段了解半导体材料的晶体结构，缺陷态种类和材料的电学性质。开展半导体薄膜材料上的光电器件制备，在不同工艺过程中分析器件制造的结构设计。利用磁控溅射进行半导体光电器件的欧姆接触和肖特基接触的电极制备，探索不同金属在半导体上形成的接触特性，以及形成的光电器件结构的基本光电性能的测试。
2.3 纳秒激光损伤阈值测试实验
当激光对透明的材料发生消融作用时，到达样品表面的能量被吸收，传导以及反射都取决于材料的特性，而这部分被吸收的光将会导致这种透明材料的线性或者非线性的消融。一般公认的无缺陷电介质的体损伤是由激光光束经由电子以及原子的振动激发来对样品产生消融作用。如果电场超过了一个关键值，将会引起快速电离以及等离子体的形成。当自由电子的密度超过了建立等离子体的阈值，那么材料将会发生不可逆的损伤消融。材料损伤阈值的测定对于利用激光消融来对材料进行精细加工有着重要作用。
2.4 表面等离子体传感器实验
金属表面等离子体共振现象对金属表面物质的折射率具有极高的灵敏度。最早提出的等离子体折射率测量装置是利用棱镜耦合的，这种方法测量精度极高，但是由于结构中使用了棱镜，体积较大。另一种方法是用光栅把入射光耦合到金属中产生表面等离子体共振，从而测量折射率，这种方法具有可高度集成的优点，与当今器件的微型化趋势吻合。本实验使用金属光栅为主要器件搭建一套折射率测量装置。测量时采用两种不同的方法，一种是以白光作为光源，光纤光谱仪作为探测器，通过光谱漂移量确定液体折射率；另一种是以激光二极管作为光源，光电二极管作为探测器，通过测量光强变化确定液体折射率。
3 科研仪器在大学生创新项目、光电竞赛和毕业设计中的应用
仅在课堂实验教学中教会学生使用科研仪器的使用方法仍然不能激发学生主动思考和独立完成课题的能力。课堂的时间是有限的，即使是专业实训课程最多也不超过8小时，而一个完整的科学实验需要长时间的积累。这里可以借助大学生创新项目、全国大学生光电竞赛和本科毕业设计等让学生们自由组队参与一项系统的设计型、研究型实验，让学生自由设计实验方案，培养他们的设计能力和创新精神。
4 结束语
光电系的学生毕业后大多在企业从事研发和设备维护工作，或者进入高校和研究所进一步深造。在这些工作和学习中，需要使用和研发现代化仪器。学生通过接触先进的科研仪器，可以掌握学科研究和应用的前沿动态。新颖的实验内容可以激发学生的学习兴趣和热情，提高教学效果。缜密的科研实验过程可以培养学生一丝不苟的工作态度和逻辑思维能力。开放式的实验结果可以激发学生勇于探索的精神和创新能力。结合科研仪器的先进实验教学将全面提高大学生的综合素质，为社会培养更多创新型人才。
参考文献：
[1]樊广华，霍学慧，郭风法，张永祥，宋宪亮.大型仪器在本科实验教学中的应用与管理探讨[J].中国现代教育装备，2010（9）：18-20.
[2]朱平川，岑卫健，李楠.大型仪器平台应用于本科教学实验的探索[J].实验科学与技术，2012，10（1）：119-121.
[3]章軍军，崔秀红.加强科研仪器设备在创新实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2008，25（2）：174-176.
[4]汤云晖，刘丽月，陈南春，张亚非.推广大型仪器实验教学 培养学生创新能力[J].实验室研究与探索，2015，34（12）：164-167.
[5]汤剑飞，严刚.科研仪器设备在力学课程实验教学中的应用[J].实验室科学，2014，17（1）：162-164.