华中师范大学物理学院《现代光学》期末论文现代光学技术在普通物理教学中渗透之研究

《现代光学》课程作业马鹏（2008213379）1/4解读《现代光学技术在普通物理教学中渗透之研究》院系：物理学院姓名：马鹏学号：2008213379任课教师：李高翔老师《现代光学技术在普通物理教学中渗透之研究》的作者为河南开封教育学院田瑞泓，本文主要讲了作者在高等院校从事普通物理光学教育同时渗透现代技术的一些例子。作者认为高等师范教育是培养人民教师的摇篮，是基础教育的“工作母机”，其教学内容必须与社会的发展保持一致，尤其是普通物理的教学内容更要反映出现代科学的发展和技术的进步，但是教材的改革明显滞后与科技的发展，致使普通物理在教学内容的现代化方面体现不足，缺乏力度。作者认为现代光学技术在普通物理教学中的渗透是一个值得深入研究的课题。作者将现代光学技术的教学追加到基础光学课之后，或部分选讲，或作为“特设科”的部分或全部进行讲授。为了充分发挥优势，克服困难，在广泛调查研究和听取专家的意见和建议的基础上，遵从教学改革的原则和规律，兼顾现状，作者制定了以下几条取材原则：1、一定要能体现普通师范院校物理专业的长远培养目标；2、内容要新；3、内容要成熟，其理论体系以及基本系统完整，技术上也已成熟，其产品或原理已经或正走进日常生活；4、其光学现象易于学生所感知，如学生已经熟悉的全息商标、光盘等，或在生活中应用已久的光通讯、激光医疗等，或通过不太复杂的描述就能使学生所接受的光学现象和应用，如激光测长，激光测距，激光测速，激光准直，激光加工等；5、其内容能够比较方便的按普通物理的风格和特点来改写，并能与基础部分顺利衔接；6、其内容在不太长的篇幅里就能讲述清楚，又不失普通物理的风格；7、遵从教材改革的规律，循序渐进改革的原则，控制新内容在一次改革中的增幅。论文还讲了组成“现代光学和技术简介”的11项教学模块，分别为激光测长、激光测距、激光测速、激光准直、激光加工、全息术、光盘、激光医疗、光在农业中的应用、光纤、非线性光学。文章用到的光学知识有光的干涉、光的直线传播、多普勒效应在光学中的应用、光的热效应、全息术、光的全反射、光学双稳态现象、光学二极管、象质评价、色度学基础、光学检测、光学污染等。我认为论文的不足之处在于对每一个教学模块的原理讲的不是很清楚，所以接下来我将对一些模块的原理加以说明，部分来自网络，有些原理可能解释不到位或解释错了，恳请老师指出，谢谢。《现代光学》课程作业马鹏（2008213379）2/4激光对长度的精密测量原理：典型的激光干涉仪由激光器、偏振分光镜、测量反射镜、参考反射镜、光电检测器、检偏器和三个λ/4波片组成。激光为线偏振光，经偏振分光镜分为E1和E2两线偏振光。当两干涉臂中λ/4波片快轴(或慢轴)与X轴夹角相等且为45度时，两束光通过λ/4波片后均成为圆偏振光，反射后再次通过λ/4波片，又转换为线偏振光，但其振动方向相对原振动方向旋转了90度，且由于两干涉臂光程产生了相位差φ，根据公式：φ=2θ=φ=4πL/λ式中：λ为激光波长，干涉光路的作用是把位移L转变为合成光振动方向的旋转角θ，进而转换成光电信号的相位φ，信号处理器的作用就是测量出φ，从而计算出位移L。激光测距的原理与回声测距的原理相似，作者在文章中已经说了，这里不在叙述。激光测速的原理：《现代光学》课程作业马鹏（2008213379）3/4激光准直是激光良好方向性和单色性的综合应用，激光准直仪具有工作距离长、测量精度高和便于自动控制等优点，在开凿隧道、铺设管道、盖高层建筑、建桥、修路、开矿等方面有着广泛的应用，其基本原理就是光在同种均匀介质中沿直线传播。在非线性光学中作者提到了激光二极管，下面说一下激光二极管的原理：激光二极管本质上是一个半导体二极管，按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结（SH）、双异质结（DH）和量子阱（QW）激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小（一般小于2mW），线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。半导体激光二极管的基本结构如图所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：λ=hc/Eg(1)式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产《现代光学》课程作业马鹏（2008213379）4/4生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。看完这篇论文对我的启发很多，我们学校也是一个师范院校，而且是国家教育部直属师范院校。我们的老师在教普通光学的时候可能忽视了现代光学的渗透，这一方面是由于上课的时间有限所致，另一方面可能是老师根本没有意识到这一点，希望在以后的教学中老师能够尝试着用一下此方法。给我的另一个启发是我们作为师范生，以后都要到中学去任教，我们能不能尝试着把物理学的一些前沿知识渗透到我们以后的教学当中去，让学生明白物理学并不是一味的讲一些几百年前的知识，物理学是与生活息息相关的。让学生能够对物理这门课产生兴趣，让学生眼中的“难课”变的有趣一些。这项工作如果靠一个人或一个学校是不可能完成的，如果我们能在一个市县或更大的范围内组成一个团队，这项工作就会迎刃而解了。以上便是我读这篇论文的感想及收获。