强激光下材料超快动力学虚拟仿真实验

实验要求

（1）专业与年级要求

可面向物理、光电信息科学与工程、材料与化学科学与工程及纳米材料等专业（二年级及以上学生）开设，亦可面向专业对应的企业技术人员进行培训。

（2）基本知识和能力要求

预修课程《大学物理》或《光学》。具备一定光学基础知识和实验技能，做过基础的光学实验，掌握相关光学元件的使用和操作。

教学成果

实验背景

1）新能源与大国激光装置研究对物理专业人才培养的需求

惯性约束聚变( ICF) 将可能为人类提供丰富、经济、安全的能源，开展该领域研究工作无论是对国民经济、军事应用，还是对基础研究探索都有着重要而特殊的意义。我国“点火工程”的大型激光装置神光II的建成并投入运行，标志着我国大型强激光和激光核聚变研究跨上一个新台阶，对提高我国的综合国力具有重要意义。其中在ICF实验研究中，强激光与材料相互作用的研究对于进一步提升ICF性能升至关重要，而将最新的科学进展，特别是将与国家战略安全重大需求密切相关的技术引入到实验教学中，不仅能让学生感受前沿科学，更有助于将正确的价值追求、理想信念和家国情怀有效地传递给学生。

2）强激光下材料超快动力学课程内容比较抽象，难以理解，需要利用虚拟仿真手段将物理模型可视化。

虽然激光与材料相互作用后在宏观上表现为材料的吸收与折射影响，但是相互作用过程非常抽象，涉及到材料内部电子的跃迁与弛豫过程，而该过程又是一个超快（皮秒或飞秒）变化过程，实现这个超快过程探测的技术原理也比较复杂。通过该虚拟仿真实验，学生能较好地掌握时间分辨超快激光泵浦探测原理与搭建，学会利用材料透射率曲线分析材料内部电子的运动过程，直观理解吸收系数和折射率变化与材料内部电子实时踪迹之间的关系。

3）强激光下材料超快动力学研究对实验环境要求比较高，实体实验成本比较高且具有一定的危险性。

该实验装置需要稳定的实验环境，例如要求恒温、恒湿等一定级别的超净间；其次整套实验装置的价格也比较昂贵，一套皮秒或者飞秒激光器需要几十万到上百万；同时要实现高精度、高灵敏度的超快过程的测量，对光电器件的要求也非常高。更为重要的是，脉冲激光器的激光强度是非常高的，非常容易对操作人员的眼睛造成永久性的伤害，具有相当的危险性。因此不便于批量学生在实验室开设该实验项目，需要利用虚拟仿真实验来开展该实验项目的教学。

设计原则

1、项目实验内容融合了光学、化学及材料等多学科的知识及前沿测量技术。

2、通过精心设计，使得课程具有实验内容抽象过程可视化，实验方法多样化，复杂仪器简单化、真实化等特色。

3、在教学过程中坚持采用引导-操作-应用的学习产出模式，具有理论和实验两个维度的交互操作；

4、课程评价体系采用分阶段分层次评分体系，多维度进行综合考核，极大提高学生的学习兴趣和对前沿科技的理解，有效培养学生的科技创新力。

实验目标

（1）掌握常见光学器件的功能与调节；

（2）理解材料吸收和折射的基本原理；

（3）了解双光子吸收、激发态吸收的等物理能级模型的原理；

（4）理解并掌握时间延迟实现原理；

（5）了解测量材料超快过程的时间分辨泵浦探测原理；

（6）熟练掌握光路的调节与优化；

（7）理解时间分辨泵浦探测的测量结果，并学会对实验结果进行分析，获得材料内电子运动过程；

（8）了解材料超快非线性折射测量的实现及原理。

通过虚拟仿真，学生可以自行对光路进行优化，模拟实际光路中泵浦光和探测光等多个因素对测试结果的影响，最终完成超快时间分辨泵浦探测系统的优化。

成绩评定

1	打开皮秒激光器	1分钟	打开激光器电源开关，出射线偏振光，1分；未出射激光，0分。
2	加入准直系统，对激光束进行扩束。	2分钟	调节准直扩束镜的放大倍数，用光屏观察，光斑尺寸大于7mm,1分，光斑尺寸小于2mm，0分。
3	添加分束镜，调节分束镜1的分光比为9:1左右。	2分钟	调节分束镜的分光透射率到0.9及以上，1分；调节分束镜的分光透射率到0.9以下，0分。
4	在分束镜透射光路上依次按指定位置摆放反射镜、三维光学平移台、反射镜、半波片、偏振片、透镜，搭建泵浦光路。	10分钟	透射光路上，光路依次透过反射镜、三维光学平移台、反射镜、半波片、偏振片、透镜，3分；光路透过的仪器顺序不符合，0分。
5	在分束镜反射光路上，依次按指定位置摆放反射镜、凸透镜、针孔、凸透镜、半波片、偏振片、连续可调衰减片、相位物体、分束镜、第一能量计、凸透镜、非线性样品，搭建探测光路。	10分钟	反光路上，光路依次透过反射镜、凸透镜、针孔、凸透镜、半波片、偏振片、连续可调衰减片、相位物体、分束镜、第一能量计、凸透镜、非线性样品，5分；光路透过的仪器顺序不符合，0分。
6	测量泵浦光路和探测光路的光程，并移动延迟线的位置。	10分钟	移动三维光学平移台上三棱镜的位置，延迟时间等于-100ps，3分；延迟时间不等于-100ps，0分。
7	用挡板挡住泵浦光	2分钟	在泵浦光路透镜后面放置挡板，只有探测光射入非线性样品，2分；没有在泵浦光路透镜后面放置挡板，0分。
8	调节探测光路上半波片的角度，使得光强满足实验要求。	5	光屏接收的能量大于1μJ，2分；激光能量小于1μJ，0分。
9	探测光的焦点未知，将样品放置在探测光的焦点位置。	8分钟	非线性样品上z值在±1mm之间，8分；z值在±10mm之间，4分，z值在±10mm以外，0分。
10	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。	5分钟	非线性样品UI上，泵浦光光斑尺寸与探测光光斑尺寸的比值≥10，3分；泵浦光光斑尺寸与探测光光斑尺寸的比值＜10，0分。
11	调节泵浦光的偏振与探测光的偏振方向为垂直。	5分钟	探测光的偏振与激光的偏振一致，与泵浦光偏振方向垂直，使泵浦光消光，5分；探测光与激光的偏振不一致，0分；探测光与泵浦光的偏振不互相垂直，0分。
12	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	5分钟	光束通过半波片后面的偏振片有光输出，光强＞20 μJ，4分；光束通过半波片后面的偏振片有光输出，光强＜20μJ，但＞10μJ，2分；光强＜10μJ，0分。
13	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。	5分钟	泵浦光路与探测光路光强之比≥100，4分；光强之比＜100，0分。
14	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。	10分钟	泵浦光光斑与探测光光斑中心点间距＜0.0001 mm，10分；间距＞0.0001mm，＜0.001mm，5分；间距＞0.001mm，小于0.002mm，2分；间距＞0.002mm，0分。
15	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，使通过样品后相位物体的像成放大的像，并用直尺进行测量。	5分钟	相位物体与凸透镜之间距离＞凸透镜焦距，＜凸透镜两倍焦距，5分；相位物体与凸透镜距离＜凸透镜焦距，0分；相位物体与凸透镜距离＞凸透镜两倍焦距，0分。
16	选择双光子吸收特性的样品ZnO，改变参数，观察吸收和折射曲线的变化。	10分钟	样品选择ZnO,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，进行自动展示或者手动调节中的一个，8分；样品没有选择ZnO，0分；样品选择ZnO，参数设置里面参数都等于初始值，0分；样品选择ZnO,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，没有进行自动展示或者手动调节中的一个，0分。
17	选择双光子诱导激发态吸收特性的样品ZnSe，改变吸收截面与载流子寿命参数，观察电子运动过程与吸收及折射曲线的变化关系。	10分钟	样品选择ZnSe,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，进行自动展示或者手动调节中的一个，8分；样品没有选择ZnSe，0分；样品选择ZnSe，参数设置里面参数都等于初始值，0分；样品选择ZnSe,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，没有进行自动展示或者手动调节中的一个，0分。
18	选择激发态吸收的样品CuPcTS，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。	10分钟	样品选择CuPcTS,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，进行自动展示或者手动调节中的一个，8分；样品没有选择CuPcTS，0分；样品选择CuPcTS，参数设置里面参数都等于初始值，0分；样品选择CuPcTS,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，没有进行自动展示或者手动调节中的一个，0分。
19	选择激发态吸收的样品AlClPc，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。	15分钟	样品选择AlClPc,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，进行自动展示或者手动调节中的一个，8分；样品没有选择AlClPc，0分；样品选择AlClPc，参数设置里面参数都等于初始值，0分；样品选择AlClPc,参数设置里面一个以上参数不等于初始值，没有进行自动展示或者手动调节中的一个，0分。
20	选择待测样品，获得随机的吸收或者折射透射率曲线，通过分析确定该样品的电子运动过程。	30	分析实验结果的特征，并确定该实验结果可以用哪个物理模型来进行解释，并能给出样品的各个参数。给出随机样品的名称，并且给出各个参数值与真实值相差0.1以内，11分；给出随机样品的名称，并且给出各个参数值与真实值相差0.1以外，5分；给出随机样品的名称与真实样品不符合，0分。