激光光谱实验室在本科教学中的作用研究

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　　[摘 要] 没有一流的实验室就没有一流的大学，没有一流的大学就很难培养一流的人才。高校科研实验室在高等院校的发展过程和创新型人才的培养方面有着极其重要的地位和作用，而实验室仪器设备又是实验室的重要组成部分。近年来，随着国家对科研的重视和各高校科研水平的提高，国家和高校对实验室建设投入力度也在不断地加大，大型科研设备在高校科研中的使用率已经达到很高的水平，但是在本科教学能力培养中的应用率仍然有待提高。在怎样合理的教学中运用大型科研设备来培养学生的实验能力、实践能力和技术水平是当代高校应该考虑和规划的一个新问题。以激光光谱实验室为例，探讨高校大型科研设备实验室在本科教学中发挥作用较具针对性和必要性。
　　[关键词] 激光光谱;实验室;本科教学;高校
　　[基金项目] 新疆师范大学本科教学质量工程建设教学研究与改革项目（SDJG2019-27）
　　[作者简介] 布玛丽亚·阿布力米提（1984—），女（维吾尔族），新疆阿图什人，博士（后），新疆师范大学物理与电子工程学院副教授，研究方向：超快激光光谱（通讯作者）。
　　[中图分类号] G482    [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2020）19-0339-02    [收稿日期] 2020-02-05
　　 一、引言
　　随着我国科研工作的扎实推进，高校科研水平也加速提高，大型的实验科研仪器已经成为高校实验教学和科学研究所必不可少的基础设施保障。同时，大型仪器的使用率和先进程度也都成为高校教学科研能力、科研水平和综合实力的重要标志之一。但由于大型科研设备价格昂贵，操作复杂，大型仪器基本上只用于科研人员的科学研究，很少对本科生开放，在本科教学中发挥的作用不够充分。
　　二、大型科研设备在本科人才培养中的作用
　　大学生参与大型科研设备的操作过程，不仅可以激发学生对科研的兴趣，激发学生通过考研究生继续参加科研过程的动力，还可以提高本科生的动手能力，这样可以使学生在就业时有一定的竞争力，还可以让学生增加就业选择，如果学生熟练掌握激光光谱实验的操作过程和原理可以在医疗、药物、食品检测部门应聘，当然也可以应聘科研、检测仪器设计与销售等多项择业方向，从而可以尽可能多地增加就业机会和择业范围。
　　三、大型科研设备在本科实验教学中的应用
　　涉及大型设备，大部分高校在安排实验教学的过程中，由于担心本科生的不当操作会影响仪器的正常使用，通常大型设备实验室不对本科生开放，即使是开放，实验过程中一般都是实验室的专门老师进行操作，让学生观摩，学生很少能参与实验过程。虽然这种模式尽可能地保证了实验设备的长期正常运行，但这种模式对于培养学生的创新能力和动手能力，提高学生对理论课程的兴趣等方面非常不利。
　　我们的大型激光光谱设备由超声分子束进样系统、真空系统、光学光路系统、离子透镜系统、时序控制系统，二维影像探测系统、信号采集及数据处理系统等所组成。
　　超声分子束进样系统：纯样品，以背景压力2atm的稀有气体作为载气，液体样品的饱和蒸汽和载气混合气体经过脉冲阀喷入束源室形成超声分子束。当喷嘴内的气压较大時，分子的平均自由程很小（约10-8米），远远小于脉冲阀的直径（0.5mm），导致分子在脉冲阀内发生多次碰撞。当脉冲阀一打开，气体喷入具有高真空度的束源室，发生绝热膨胀，使得分子的无规则运动转为定向运动，速度超过声速，形成超声分子束。
　　真空系统：由束源室和电离室和真空泵（分子泵、机械泵）所组成，束源室利用速为400转/s、抽速为1200L/s分子泵抽真空，机械泵为分子泵的前级泵，没有进样时，束源室保持腔内真空度在10-6Pa量级，进样时保持10-4～10-5Pa的真空度，电离室采用转分子泵（F200/1200）分子泵抽真空，保持10-6Pa的较高的真空度。
　　光学光路系统：激光器输出的基频光分成两束，其中一束用于泵浦光将目标分子激发到该研究的激发态上。另外一束光作探测光。泵浦光和探测光通过多个反射镜、光栏、各种倍频晶、透镜等光学器件，保证所需波长的泵浦光和探测光的光程相等，最终聚焦到真空腔和样品分子正交并与样品分子发生作用。泵浦光和探测光的偏振方向根据实验内容的不同我们通常采用线偏正光或者椭圆偏正光，利用可变波片和半波片调节偏正方向。
　　离子透镜系统：由三块中间开孔的不锈钢圆片构成，分别为排斥极（R）、加速极（E）和接地极（G）、排斥极和加速极加电压，接地极接地。离子透镜会对产生的光电子和光离子进行加速和聚焦。
　　二维影像探测系统由两块微通道板（MCP）和快速响应的P47荧光屏构成二维位置敏感探测器，产生的光电子/光离子最终聚焦到二位影像探测器上，形成高分辨的光电子影像或离子影像。
　　信号采集及数据处理系统：形成的影像利用装在探测器背面的CCD相机进行采集，实验中还利用光电倍增管，采集了光电子离子质谱信号。整个系统的时序利用时序控制器DG535进行控制。
　　超声分子束进样系统、真空系统和本科生在热学、力学等课程所学的很多内容有关;离子透镜的设计涉及学生电磁学、力学所学的内容;激光光路系统和学生们光学课程中所学的光的干涉、衍射、几何光学、偏正光学所学的内容都有关，时序控制器，二维影像探测系统、信号采集及数据处理系统涉及电磁学、光学，电路等课程所学习的内容，还要求学生会用labviev、matlab等软件编程，因此，学生根据按照自己的兴趣和特长选择性地参与不同部分的操作和实验，如果时间足够，可以参加整个设备的实验操作和实验过程，这样不仅可以让学生更好地掌握理论知识、大大提高学生动手能力、独立思考和解决问题的能力，还可以激发学生对科研的兴趣，可以提高学生就业竞争能力。 　　四、結语
　　大型实验设备在本科教学中的合理、科学应用，可以提供给本科生更多的实践机会，可以提高本科生培养质量和创新能力，提高大学生的动手能力，提高就业竞争力，初步形成产学研一体化的人才培养模式。通过先进实验室让大学生参与科研活动，可以亲身并直观感受到现代科学技术的成果与发展趋势。
　　参考文献
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　　The Role of Laser Spectrum Laboratory in Undergraduate Teaching
　　Bumaliya.abulimiti*
　　（College of Physics and Electronic Engineering， Xinjiang Normal University，
　　Urumqi， Xinjiang 830054， China）
　　Abstract：There is no top university without a first-class laboratory， and it is difficult to cultivate first-class talents without leading university. Scientific research laboratory plays an important role in the development process of institutions of higher learning and the cultivation of innovative talents， and laboratory equipment is an important part of the laboratory. In recent years， with the national attention to scientific research and the improvement of scientific research level in colleges and universities， the national and university investment in laboratory construction is also increasing. The utilization rate of large-scale scientific research equipment in university scientific research has reached a high level， but the application rate in undergraduate teaching ability training still needs to be improved. How to use large-scale scientific research equipment to cultivate students' experimental ability， practical ability and technical level in reasonable teaching is a new problem that should be considered and planned in contemporary colleges and universities. This paper takes the laser spectrum laboratory as an example to discuss the role of large-scale scientific research equipment laboratory in undergraduate teaching.
　　Key words：laser spectrum; laboratory; undergraduate teaching; colleges and universities
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