空间光调制器参数测量与创新应用实验
实验讲义
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前言
空间光调制器是一类能将信息加载于一维或两维的光学数据场上，以便有效的利用光的固有速度、并行性和互连能力的器件。这类器件可在随时间变化的电驱动信号或其他信号的控制下，改变空间上光分布的振幅或强度、相位、偏振态以及波长，或者把非相干光转化成相干光。由于它的这种性质，可作为实时光学信息处理、光计算等系统中构造单元或关键的器件。空间光调制器是实时光学信息处理，自适应光学和光计算等现代光学领域的关键器件，很大程度上，空间光调制器的性能决定了这些领域的实用价值和发展前景。
空间光调制器一般按照读出光的读出方式不同，可以分为反射式和透射式；而按照输入控制信号的方式不同又可分为光寻址(OA-SLM)和电寻址(EA-SLM) 。最常见的空间光调制器是液晶空间光调制器，应用光－光直接转换，效率高、能耗低、速度快、质量好。可广泛应用到光计算、模式识别、信息处理、显示等领域，具有广阔的应用前景。
本实验是传统光信息处理实验与计算机等先进技术手段相结合的现代光学实验，旨在让学生了解空间光调制器的广泛应用和科研价值。本实验注重学生对光信息处理中关键器件的理解，同时利用SLM解决实际科研与产业应用问题的能力，实验直观且有很强的指导性，可作为相关专业学生的研究型实验。
实验一SLM 液晶取向测量实验
一、 实验目的
1. 了解空间光调制器的基础知识。
2. 理解空间光调制器的透光原理。
3. 测量空间光调制器的前后表面液晶分子取向，计算液晶扭曲角。
二、 实验原理
根据液晶分子的空间排列不同，可将液晶分为向列型、近晶型、胆甾型3类。其中扭曲向列液晶 (Twisted Nematic Liquld Crystal ，TNLC)是液晶屏的主要材料之一，它是一种各向异性的媒质，可以看作是同轴晶体，它的光轴与液晶分子的长轴平行。TNLC 分子自然状态下扭曲排列，在电场作用下会沿电场方向倾斜，过程中对空间光的强度和相位都会产生调制。
想定量分析液晶屏对光的调制特性，需要将调制过程用数学方法来模拟，液晶盒里的扭曲向列液晶可沿光的透过方向分层，每一层可看作是单轴晶体，它的光学轴与液晶分子的取向平行。由于分子的扭曲结构，分子在各层间按螺旋方式逐渐旋转，各层单轴晶体的光学轴沿光的传输方向也螺旋式旋转。如图1.1所示。
图1.1 TNLC 分层模型
在空间光调制器液晶屏的使用中，光线依次通过起偏器P 1、液晶分子、检偏器P 2，如图1.2所示。光路中要求偏振片和液晶屏表面都在x-y 平面上，图中已经分别标出了液晶屏前后表面分子的取向，两者相差90°。偏振片角度的定义是，逆着光的方向看，1φ为液晶屏前表面分子的方向顺时针到P l 偏振方向的角度，2φ为液晶屏后表面分子的方向逆时针到P 2偏振方向的角度。偏振光沿z 轴传输，各层分子可以看作具有相同性质的单轴晶体，它的Jones 矩阵表达式与液晶分子的寻常折射率n o 和非常折射率n e ，以及液晶盒的厚度d 和扭曲角α有关。除此之外，Jones 矩阵还与两个偏振片的转角1φ，2φ有关。因此光波强度和相位的信息可简单表示为()12,,T T βφφ=；()12,,δδβφφ=，其中
()e o d n n βπθλ=-????又称为双折射，它其实为隐含电场的量，因为β为非常折射率e n 的
函数，非常折射率e n 随液晶分子的倾角θ改变，θ又随外加电压而变化。
图1.2 SLM光路示意图
目前主流的液晶显示器组成比较复杂，它主要是由荧光管、导光板、偏光板、滤光板、玻璃基板、配向膜、液晶材料、薄膜式晶体管等构成。作为空间光调制器来使用时，通常只保留液晶材料和偏振片。液晶被夹在两个偏振片之间，就能实现显示功能，光线入射面的称为起偏器，出射面的称为检偏器。实验时通常将这两个偏振片从液晶屏中分离出来，取而代之的是可旋转的偏振片，这样方便调节角度。在不加电压和加电压的情况下液晶屏的透光原理如图1.3所示。
图1.3 液晶屏的透光原理
图中液晶屏两侧的起偏器和检偏器相互平行，自然光透过起偏器后变为线偏振光偏振方向为水平。右侧V=O，不加电压，液晶分子自然扭曲90°，透过光的偏振方向也旋转90°，与检偏器方向垂直，无光线射出，即为关态。然而在左侧V≠0，分子沿电场方向排列，对光的偏振方向没有影响，光线经检偏器射出，即为开态。这样即实现了通过电压控制光线通过的功能。
三、实验仪器用具
线偏振氦氖激光器、半波片、空间光调制器，偏振片，功率计等
四、实验内容
要测量空间光调制器的调制特性，首先需要确定一些必要的参数。若通过改变光学系统来实现纯相位调制，需要的参数很多，包括液晶的厚度，液晶的双折射随电压的变化情
况等。本实验中，我们测量的是液晶屏的分子扭曲角和两个表面的分子取向。
1. 调整激光器的偏振方向为竖直方向，调整波片和偏振片使光轴与竖直方向，并读数。
确定波片的光轴方向2φ和偏振片1φ的偏振方向。参照图1.4，沿导轨安装激光器、检偏器、空间光调制器和功率计。
2. 在空间光调制器调试到断电状态，顺时针调试偏振片到光强最大位置记为角度为3φ。
3. 安装半波片，逆时针旋转半波片直到光强最大记波片为4φ。
图1.4 实验系统示意图
1. 线偏振氦氖激光器 6．偏振片
2. 激光夹持器 7. 偏振片架
3. λ/2波片 8. 功率计
4. 波片架
5. 空间光调制器
五、 实验数据处理
1、空间光调制器液晶后表面液晶分子取向与竖直方向夹角为（13φφ-）
2、空间光调制器液晶前表面液晶分子取向与竖直方向夹角为2（24φφ-）
3、液晶自然扭曲角为：（13φφ-）+2（24φφ-）+m π
选做：
1. 测量激光器的输出功率，激光通过半波片后的光功率，激光通过空间光调制器后的光功率，激光通过偏振片后的最大光功率。计算半波片，空间光调制器，偏振片的透射率。
2. 思考能否用普通激光器和偏振片代替线偏激光器和半波片？为什么？
3. 思考能否用线偏激光器、1/4波片，偏振片来产生各方向的偏振光，有何利弊？
实验二 空间光调制器振幅调制实验
一、 实验目的
1. 了解振幅型空间光调制器的工作原理。
2. 测量SLM 振幅调制模式时的偏振光角度。
3. 观察SLM 振幅调制模式下的成像图案。
二、 实验原理
振幅空间光调制器是通过对入射线偏振光进行调制后改变其偏振态，利用入射和出射偏振片的不同获得不同强度的出射偏振光，对光强的调制在光开关，光学信号识别，光学全息中有广泛应用。
在空间光调制器液晶屏的使用中，光线依次通过起偏器P 1、液晶分子、检偏器P 2。如果偏振器件的透光方向与x 轴夹角为θ，那么在直角坐标系中该偏振器件的Jones 矩阵是:
()()()22
cos sin 10cos sin sin cos 00sin cos cos sin cos sin cos sin p J R JR θθθ
θθθθθθθθθθθθθθ-??????=-=??????-?????
?
??=????
（2.1）
其中()cos sin sin cos R θθθθθ??
=??
-??
为旋转矩阵。 对于旋光物质，当旋转角度为α时，对应的Jones 矩阵为
()()cos sin exp 2sin cos t J j nd α
αθπλαα-??
=-?
???
（2.2）
其中，n 是介质的折射率，d 是介质厚度，λ为光的波长。
对于液晶这种复杂的双折射旋光介质，其Jones 矩阵的计算比较复杂，根据不同的模型会有不同的表达式，在Kanghua Lu 最早提出的简单模型中，认为液晶分子扭曲90°是均匀变化，在某一固定电场下，分子的倾斜角0不因z 而变化，即不考虑边缘效应。他给出了液晶层自然状态下的JoneS 矩阵:
()sin cos sin 2exp cos sin sin 2j J j j πβγγγγγψβπγγγγγ??????
+?? ? ???????=-??????
??-+ ? ?????????
（2.3） 其中()()1
2
2
2
,,2e o e o d d n n n n πππβψγβλλ????=-=-=+?? ???????
。
当液晶屏加有电场时，液晶分子向电场方向倾斜，它完全是电压r V 的函数。液晶分子存在一个倾斜的闭值电压c V ，当r V 小于c V 时，θ为O 。当r V 大于c V 时，θ是r V 的函数。另定义o V 是θ等于49.6°时的电压，则θ可如下定义
10,2tan exp ,2r c r c
r c o V V V V V V V
θπ-
?
???-?=????
?-->???? ????????????
?
（2.4）
由于分子的倾斜，改变了液晶的双折射，e n 是θ的函数。
()()()
22222
cos sin 1
e e o
n n n θθθ=+ （2.5） 所以当有电场存在时，液晶层的Jones 矩阵就是将式（2.3）中e n 用()e n θ来代替。计算出的偏振片和液晶组成的系统的Jones 矩阵，进一步由复振幅可分别得到系统的强度
变化和相位变化。
()()2
1212sin cos cos sin 2T πγφφγφφγ??
=-+-????
（2.6）
()()
()()()121
1212sin sin tan
2sin cos cos sin βγγφφδβπγγφφγφφ-+=--+- （2.7）
由上式可知，当空间光调制器其他参数保持不变，通过改变1φ和2φ，使相位δ基本保持不变，而强度T 随着液晶屏所加电压的变化而变化，此时空间光调制器为强度调制模式。
三、 实验仪器
线偏振氦氖激光器、半波片、空间光调制器，偏振片，功率计等。
图2.1 实验系统示意图
1. 线偏振氦氖激光器 6．偏振片
2. 激光夹持器 7. 偏振片架
3. λ/2波片 8. 功率计
4. 波片架
5. 空间光调制器
四、 实验内容
1. 参照图
2.1，沿导轨安装实验系统中各个器件，保证各光学器件同轴等高，激光
的偏振方向竖直向下。
2.将半波片的角度为
3
φ度，此时入射激光的偏振方向与液晶前表面液晶分子平行。
旋转偏振片P
2使
2
φ从0°到180°变化，每次间隔10°，每转动一次偏振片，改
变空间光调制器输入图像的灰度值，每改变25灰度记录一次功率计读数，填入表
2.1。
3.根据以上表格找出光功率随灰度变化改变最大值。则此时半波片与偏振片的夹角为
空间光调制器为强度调制模式。
4.将给定的灰度图案写入空间光调制器，按照图观测激光通过空间光调制器后调制产
生的图案。观测单缝衍射图案，双缝干涉图案，矩孔衍射图案。
1. 线偏振氦氖激光器9．波片架
2. 激光夹持器10.空间光调制器
3.可调衰减片11.偏振片
4.空间滤波器12.偏振片架
5.f=100mm 平凸透镜13. f=200mm 平凸透镜
6.透镜支架14.透镜支架
7.可变光阑
8.半波片
实验三空间光调制器相位调制模式的参数测量及标定实验
一、实验目的
1.了解相位型空间光调制器的工作原理。
2.标定SLM相位调制模式时的灰度-相位对应关系。
3.观察SLM相位调制模式下的成像图案。
二、实验原理
前面我们提到了按照SLM调制光参量的不同可以分为振幅型，相位型和复合型。本实验主要研究其相位调制特性，所谓相位型空间光调制器，即该SLM只是对其读出光的相位分布进行调制，读出光的光强基本不变。
实验中我们主要采用扭曲向列液晶来实现纯相位调制的，N.Konforti等人在前人研究的基础上提出，扭曲向列型液晶可以作为纯位相空间光调制器的，位相的改变依赖于电极上的电压，研究认为当液晶分子受到外加电场的时候，如果外加电场高于Freedericksz改变阈值电压而且低于光学改变阈值电压时，液晶分子呈现出沿电场排布的趋势，但依然保持自身的扭曲状态不变，在此区间的位相改变来自于各层液晶分子的有效双折射效应，这种双折射的变化与电压的增大和液晶分子的偏转成反比。在此区间不会有太大的强度变化，因为液晶分子的扭曲状态依然不变。若外加电压的大小高于光学改变阈值电压的时候，液晶分子的扭曲不再一致，这时双折射效应增加，光的通过率增加。
若作为纯相位调制器，要求相位调制时强度基本不变，并且还要求通过率较大。本实验采用了将空间光调制器放在2个偏振片之间（为了减少光功率的损耗，第一个偏振片用线偏光和半波片的组合代替），不断调节偏振片的偏振状态来确定合适的偏振角度来达到纯相位调制的模式。如下图所示，空间光调制器放置在偏振片P1，P2之间，然后来调节偏振片的角度，当光强基本保持的时候记录前后偏振片的角度，在此角度下是否为纯相位调制还需要后面进行相位标定。
可调衰减片半波片
图3.1 相位标定系统原理示意图
本实验的相位标定方法是基于干涉理论。如图3.1所示，激光被分束器分成2束平行的相干光束。两束光分别照在SLM平板的左右两个半板。其中左半板的灰度值为固定值，而右半板的灰度值是从0到255变化可调（图3.2）。两光束在经过SLM相位调制后，在通过一个合束器发生干涉，然后由CCD采集条纹图案。由于SLM的右半板的灰度在不断变化，所以右边光束的相位也在随之发生变化，因此导致干涉条纹会产生相移，我们通过计算分析干涉条纹的相移数据来测量空间光调制器的相位调制特性。
图3.2 SLM 左半板的灰度为固定值，右半板的灰度由0到255变化
三、 实验仪器
线偏振激光器、可调衰减片、空间滤波器、半波片、分束器、空间光调制器、偏振片、数字摄像机
四、 实验内容
1. 参照图3.3搭建实验系统，调整各光学器件同轴等高。激光偏振方向竖直向下。
1
2
3
4
5
17
6
7
8
9
1516
1011
131412
18
1921222320
图3.3 实验系统示意图
1. 线偏振氦氖激光器 1
2. 空间光调制器 2. 激光夹持器 1
3. 合束器 3. 可调衰减片 1
4. 可调棱镜支架 4. 空间滤波器 1
5. 偏振片 5. f=100mm 准直透镜 1
6. 偏振片架 6. 透镜支架 1
7. CMOS 数字相机 7. 可变光阑
8. 半波片 9．波片架 10.分束器
11.可调棱镜支架
2. 调整各器件使激光扩束准直后，由分束器分为两束平行光，分别投射在空间光调
制器的左右半屏上，再由合束器将两束光合为一束，形成清晰稳定的干涉条纹。再由数字摄像机进行图像采集。
3. 调节半波片和偏振片使其在加载全黑图片与全白图片时光功率基本不变化，即使
空间光调制器处于相位调制的状态。在空间光调制器中读入相应的图像，使得左半屏的灰度保持0灰度不变，右半屏的灰度从0到250，以25灰度为间隔来改变。每改变一次灰度，采集一次条纹图案。通过配套软件计算每一幅条纹图案相对于第一幅条纹图的相移量。
4.参考图3.4搭建相位调制型空间光调制器实验系统，将给定的相位图写入空间光
调制，观察衍射图案。
图3.4 相位调制实验示意图
1. 线偏振氦氖激光器9．波片架
2. 激光夹持器10.空间光调制器
3.可调衰减片11.偏振片
4.空间滤波器12.偏振片架
5.f=100mm 平凸透镜14.透镜支架
6.透镜支架
7.可变光阑
8.半波片
五、实验数据处理
1.将计算出来的当右半屏显示不同灰度时产生的条纹图案相对于0灰度时的条纹图案的
实验四 SLM衍射特性研究及衍射光学元件设计实验
一、前言
从上世纪八十年代开始，随着计算机产生全息与相息图（kinoforms）设计、制作技术的完善和微电子加工技术的发展，人们能够应用光学衍射原理，设计并制作衍射光学元件，使几种光学功能集于一体，从而产生了衍射光学(Diffractive optics)这个新兴的光学分支。衍射光学是光学与微电子技术相互渗透、交叉而形成的前沿学科，也是微光学(Micro-optics)领域的主要研究内容。其基本内涵为:基于光波的衍射理论，利用计算机辅助设计技术，并用各种微细加工工艺，在片基或传统光学器件表面刻蚀产生两个或多个台阶甚至连续形状的浮雕结构，形成纯相位、具有极高衍射效率的一类衍射光学元件[7,8]。当光束投射到这样的元件上时（透射式或者反射式），波相位受到调制，实现各种联合的光学功能。衍射光学器件具有体积小、重量轻、易复制、造价低、衍射效率高、设计自由度多、材料可选性宽、色散性能独特等特点，并能实现传统光学器件难以完成的阵列化、集成化及任意波面变换等功能。
二、实验目的
1.了解空间光调制器的相关应用。
2.理解空间光调制器的“黑栅效应”。
3.学习衍射光学元件的设计方法。
4.利用空间光调制器设计动态衍射光学元件。
三、实验原理
电寻址空间光调制器是由单个分离的像素组成的，控制较为方便，主要用作电光实时接口器件，可看成是数字式的器件。但其相邻像素之间存在一条不透光的黑带，众多黑带连在一起被形象地称之为“黑栅”。理想情况下,用于输入数字图像的SLM像素填充因子为100%,相应输出图像对比度高,相对容易辨别,误码率低。但由于“黑栅”的存在，实际空间光调制器的填充因子是非理想的(小于100%)，因此会对CCD上获得输出图像像质带来影响,具体影响效果是一个值得研究的问题。
N
常用的液晶空间光调制器像素尺寸一般可近似成正方形或者长方形，如图4.1所示。相邻像素在x、y方向上像素尺寸(亦称像素间距)分别用x
?表示，α、β和M、N分
?、y
别为x、y方向有效像素所占比例和像素数，且α、β∈(0,1)。考虑激光器发出的原始物波经过整形扩束成平面波后传播到空间光调制器，假设此时SLM每个像素的相位调制相同，则此时的光场复振幅可表示为
()10,,,,x y x y x y u x y u comb rect rect x y x y M x N y αβ????????
=*?? ? ? ??????????????
? （4-1）
式中0u 为平行平面波的表达式，,x y comb x y ??
?????
表示空间光调制器每个单元像素的
抽样，,x y rect x y αβ?? ?????表征单个有效像素窗口，,x y rect M x N y ??
?????
表示空间光调制器大小
对衍射像的限制。基于夫琅和费标量衍射及傅立叶变换理论，传播距离d 后的衍射像的复振幅表达式为
()()()()()()()2221221exp j d exp 22,,exp exp ,2jk d j u u x y x y dxdy j d d jk C FT u x y d
ξηλπξηξηλλξη∞∞-∞-∞
??
+
? ?-????=+??????
+ ?=???? ???
?? (4-2) 式中FT 表示傅立叶变换，常位相因子和振幅略写为常量C 。将()1,u x y 带入式中化简得到
()()()()()()'2''
00
,,,,,sin ,sin ,sin ,,sin ,N M n m x y x y x y u C FT comb rect rect x y x y M x N y C comb x y c x y c M x N y m n C c m n c M x N y x y ξηαβξηαξβηξηαβδξηξη==??
????????=*??
?? ? ? ??????????????????
?=????*????????
??=--*???? ???????∑∑ (4-3)
由上式可知，空间光调制器的黑栅结构会导致成像面存在着多级衍射谱，且每级衍射谱的
相对相位分布是相同的，中心级的谱最亮，高级次的谱相对较暗。因此空间光调制器本身的结构缺陷会给衍射像带来很强的直流分量，降低衍射效率，给成像质量带来不良的影响。 如果有效的减弱甚至消除黑栅效应是进行动态衍射光学元件设计的重要环节。
衍射光学元件（Diffractive Optical Element ，DOE ）的设计问题十分类似于光学变换系统中的相位恢复问题，即己知光学系统输入平面上的入射场和输出平面上的光场分布，如何计算输入平面上调制元件的相位分布，使其正确调制入射光场，高精度地给出预期输出图样，实现所需功能。
衍射光学元件的设计理论通常分为两大类：衍射矢量理论(vector diffraction theory)和衍射标量理论(scalar diffraction theory)。当衍射光学器件的衍射特征尺寸和光波波长相当，甚至为亚波长量级时，标量衍射理论的近似条件不成立，必须采用矢量衍射理论来分析不同电磁场分量在衍射器件中的相互耦合作用。矢量衍射理论基于严格的电磁场理论，在适当的边界条件上、适当地使用一些数学工具来严格地求解麦克斯韦(Maxwell)方程组。遗憾的是，对于大多数较为复杂的实际衍射问题，很难得到封闭形式的解析解。
当衍射光学器件的衍射特征尺寸远大于光波波长，且输出平面距离衍射元件足够远时，可采用标量衍射理论对其衍射场进行足够精度的分析。即只考虑电磁场一个横向分量的复振幅，而假定其它分量可用类似方式独立地进行处理。在此范围内，将衍射光学器件的设计看作是一个优化设计问题，根据事先给定的入射光场和所期望的输出光场等已知条件，构造设计目标函数，利用一种或多种优化算法，求解衍射光学器件的相位结构。目前，基于这一思想的优化设计方法主要有盖师贝格-撒克斯通算法(Gerchberg-Saxton Algorithm ，简称GS)、模拟退火算法(Simulated Annealing Algorithm ，简称SA)和遗传算法(Genetic Algorithm ，简称GA)、杨-顾算法(Yang-Gu Algorithm ，简称YG)以及多种混合算
法等。
基于衍射光学元件DOE 的典型光学系统如图4.2所示。DOE 位于输入平面P 1内，入射光垂直并透射过DOE ，经自由传播，在输出平面P 2上观察衍射图样。P 1和P 2两平面之间的距离为z ，并分别在该两平面内建立直角坐标系。
图4.2 基于衍射光学元件DOE 的典型光学系统
已知入射光的振幅为
()()()000,,exp ,g x y A x y i x y φ=???? (4-4)
上式中，A 0(x, y)为入射光的振幅，()0,x y φ为入射光的相位。衍射光学元件DOE 为纯相位型器件，其复振幅透过率为()exp ,i x y φ????，(),x y φ就是待求DOE 的相位分布。入射平面P 1内的光场为
()()()(){}
00,,exp ,,g x y A x y i x y x y φφ=+???? (4-5) 为研究方便，一般先不考虑()0,x y φ，待求出(),x y φ后，(),x y φ-()0,x y φ即为DOE 的相位分布，故P 1内的光场分布可写成
()()(),,exp ,g x y A x y i x y φ=???? (4-6) 令输出平面P2内的复振幅分布函数表示为 ()()(),,exp ,f u v B u v i u v φ=???? (4-7) 由夫琅和费衍射公式可知
()()
()()22
22,,exp k j
u v jkz
z
e e
f u v
g x y j ux vy dxdy j z z πλλ+∞∞
-∞-∞
??
=
-+?????? (4-8) 写成傅立叶变换的形式为： ()()
()22
2,,k j
u v jkz
z
e e
f u v FT
g x y j z
λ+=
???? (4-9)
作为解决相位恢复问题的算法体系中最基本的一种算法，GS 算法可由已知的入射场分布和所需要的场分布，经过多次傅里叶变换及其逆变换的迭代得到要求的DOE 上的相位分布。GS 算法的流程图如图4.3 所示。具体来说，GS 算法按以下几步进行迭代计算：
首先要选择初始分布，例如 ()()000(,)|,|exp ,f u v B u v i u v φ=????，这里()0|,|B u v 为所要求的衍射图案分布，()0,u v φ为可以在[0, 2π]范围内随机取值的分布函数。进行傅立叶逆变换，可得到()()()()1,,|,|exp ,j j j g x y FT f u v A x y i x y φ-??==??????，对于这个输出函数，进行人为的修正，令()|,|j A x y =1，得到新的函数()(,)exp ,j g x y i x y φ=????。然后，进行傅立叶
变换，得到(,)j f u v ，再对它施加人为剪裁。在信号窗口内，令()()10,,j f u v B u v +=，而在窗口外，()1,(,)j j f u v f u v +=，不变更，这样导出经过一次迭代后的解，作为新的下一轮迭代过程的初始分布。这样的迭代过程重复地进行下去，一直到设计精度得到满足或者达到设置的最大迭代次数为止。由最后的输出函数(),g x y ，可得到所需要设计的衍射光学元件的相位。
图4.3 设计衍射光学元件的计算流程图
四、 实验仪器
线偏振激光器、可调衰减片、空间滤波器、半波片、空间光调制器、数字摄像机等。
五、 实验内容
1. 根据空间光调制器的性能，我们应用实验包含衍射光学元件模拟（圆孔、单缝、双缝、正弦
光栅、二元光栅等）、位相图变换模块（计算傅里叶变换图）、漩涡光模块（不同拓扑数）、高斯光束变换模块等应用内容。
2. 参照图4.4搭建实验系统，调整各光学器件同轴等高。
图4.4衍射光学实验示意图
1. 线偏振氦氖激光器9．波片架
2. 激光夹持器10.空间光调制器
3.可调衰减片11.偏振片
4.空间滤波器12.偏振片架
5.f=100mm 平凸透镜13. f=200mm 平凸透镜
6.透镜支架14.透镜支架
7.可变光阑
8.半波片
3.在空间光调制器中写入给定的相位灰度图，观察SLM的黑栅对衍射像的影响。再
将改进GS算法后计算生成的相位灰度图写入空间光调制器中，与前图对比，判断黑栅效应的消弱情况。
4.选择信号图案导入软件中，利用GS算法生成对应的DOE图案，将生成的DOE图案
写入空间光调制器，观察SLM后方产生的衍射图案和信号图案是否一致。
5.轻微的上下移动空间调制器，使准直光束照射液晶屏的不同位置，观测衍射图案
是否发生变化。
6.比较相位调制和强度调制的区别，分析DOE和全息干板的异同。
草酸盐共沉淀法制备Y2O3：Eu纳米荧光粉 1、过滤所得前驱体放在马弗炉中焙烧的目的是什么？ 答：当温度升高到一定值时，盐熔化形成熔体，熔盐提供了液态的环境，加快了固相反应物之间的传质速度，使得反应更容易进行，同时，由于熔盐双电子层效应，生成物之间又不容易团聚，因而更易获得分散细小粉体，随着温度增加，熔盐促进了Y3+，Eu3+及配位体的扩散起着熔焊作用，使激活剂更容易进入基质且分配均匀并促使基质结晶更完整，表面缺陷减少，发光亮度得以提高。 2、查阅文献，制备稀土发光材料的常用方法有哪些，各有何优缺点？ 答：1）高温固相法 优点：微晶晶体质量优良，表面缺陷少，余光辉效率高，利于工业化生产。 缺点：烧结温度高，保温时间长，设备要求高。 2）软化学法 （1）溶胶—凝胶法 优点：可获得更细的粒径，无需研磨，且合成温度比传统合成方法更低。 缺点：发光效率低，余光辉性能差，结晶质量不好，晶粒形状又难以控制，不易工业化。（2）低温燃烧合成法 优点：具有安全、省时、节能的优点。 缺点：同上。 （3）水热合成法 优点：产物物相纯度高，可获得较小颗粒。 缺点：同上。 3）物理合成法 （1）CO2激光加热气相沉积法 优点：可获得的粒径更小的稀土纳米发光材料，也可通过控制蒸发室的气压来调整纳米微粒粒径的大小 缺点：当纳米微粒中Eu的含量超过0.7%时，将会出现单独的Eu2O3相Y2O3：Eu3+ （2）微波辐射合成法 优点：选择性加热、受热均匀、副反应减少、产物相对单纯；加热速度快，省时，能耗小。缺点:采用原料为极少吸收微波的氧化物，必须采取措施，如在被加热原料外覆盖微波吸收介质，才能有效的利用微波法合成发光材料。 荧光防伪材料的制备 3、实验时溶液PH过大或则过小有何影响？ 答：PH过大，溶液中会产生Eu(OH)2白色沉淀。 PH过小，溶液中颜色消失。 4、查阅文献，除了Phen和TTA之外，稀土配合物发光材料的代表性配体还有哪些? 答：有三乙酰丙酮、三苯基氧膦，PMIP联吡啶等。 5、稀土离子Eu3+形成的产物一般发什么颜色光？为什么？ 答：一般发红光，因为稀土铕配合物的荧光更强，Eu3+与5D0-7F2的特征发射，其发光波长为614nm左右，半峰宽小于10nm，其发红色光。
自由空间光通信的现状与发展趋势 自由空间光通信的现状与发展趋势（一） 1 前言 20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。 自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1）可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；2）可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；3）应用于城域网的建设以及最后一公里接入；4）在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限制使用无线电通信的地方；5）在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6）在企业内部网互连和数据传输。 2 自由空间光通信的基本原理及其特点
自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。 系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。 自由空间光通信与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完
国家大学生创新性实验计划项目 申请表 项目名称陕西师范大学数字传媒技术实验教学 中心信息化平台的开发 学生所在单位新闻与传播学院 申报单位新闻与传播学院 项目负责人 ### 起止年限 2011年04月至2012年02月 陕西师范大学教务处 2011年2月
项目名称陕西师范大学数字传媒技术实验教学中心信息化平台的开发 申请经费13080元起止时间2011年04月至2012年02月 申请团队姓名年级所在单位及专业联系电话E-mail ###08级新闻与传播学院 教育技术学 ### 09级理工科基础教学部 软件工程 ###08级新闻与传播学院 教育技术学 ###08级新闻与传播学院 教育技术学 ###08级新闻与传播学院 教育技术学 导 师 姓名## 职务/职称教授电话E-mail
一、申请理由（包括自身具备的知识条件、自己的特长、兴趣等） 本团队成员由四名陕西师范大学教育技术学专业学生和一名陕西师范大学软件工程专业学生组成，通过相应专业学习，已经具有一定的知识和技术储备，具备独立开发、优化和维护网站的能力，并且通过对网络和计算机的学习，也具备了从网络中有效获取信息的能力和必要的网络技术、程序设计技术等。 “十一五”期间，教育部、财政部组织实施的“高等学校本科教学质量与教学改革工程”中，启动了国家级实验教学示范中心建设，信息时代的到来，新的教学、管理模式必然要替代传统的教学、管理模式，信息化建设必将成为国家级实验教学示范中心建设工作中的重要内容。2000年6月，陕西师范大学新闻与传播学院成立了数字传媒技术实验教学中心，经过近10年的发展，数字传媒技术实验教学中心现已形成覆盖平面媒体、影视媒体、网络多媒体等各类媒体的实验室群落，也是目前陕西省乃至西北地区唯一一家国家级传媒类实验教学示范中心。目前，我校校园网已经全线贯通，可以实现相关人员对平台的实时管理，选择的技术实现路线是目前较为成熟网络平台开发技术，能够完成设计方案提出的设计要求，只要有硬件条件支持就可构建出平台开发所必需的软件环境，我院服务器能够满足技术实现路线的硬件环境要求。 本项目旨在开发实验教学中心信息化平台，此平台在培养学生创新思维和技术实践能力方面具有独特的功能，方便的信息交流和资源共享，可以有效地推进学科建设和专业教学，促进课程体系、教学内容和方法的改革；在优化实验教师教学方法和提高教学效果上具有一定的优势，其中的网络实验教学服务，可以有效地促进教师对学生的实验监督和指导；在实验室管理方面，通过此平台，实验室管理人员可以实时的了解实验室设备的使用情况，提高实验室的管理效能和实验室设备的利用率。因此，建设实验教学中心信息化平台，是推进高等教育现代化、整合实验教学资源、改善基础课程教学、培养具有创新精神和实践能力的复合型人才的一项重要举措。 数字传媒技术实验教学中心信息化平台技术实现方案拟采取以Web应用程序的方式开发，平台服务器采取Windows Server 2008服务器，程序代码的编写使用ASP+Javascript+Vbscript动态网页编写语言，平台数据保存在数据库当中，数据库采取SQL Server 2008数据库系统。 本团队负责人###，担任社团联合会技术部副部长一职，做事情有恒心，沟通能力强，组织策划能力强，技术过硬，长期和老师一起参与网站的开发。团队成员###，现任理工科团总支学生会部长，专业技术熟练，具有项目开发的理论知识和一定的实践经验。团队成员###，曾担任网络文化协会媒体部部长，具有一定的美工基础，思维活跃，与人交往能力强，有很强的文字组织能力，工作上有很强的责任心。团队成员###，专业知识过硬，曾三次获得国家一等奖学金，具有合作精神，有一定的技术水平，有强烈的求知欲望与探索精神，对于工作认真负责。团队成员###，理论水平高，曾在《中小学电教》、《中国教育技术装备》
无 机 综 合 实 验 报 告 理学院
题目Ⅰ利用粗铜粉制备硫酸四氨合铜（Ⅱ） 一、实验目的： 1.掌握利用铜粉制备硫酸铜的方法。 2.用精制的硫酸铜通过配位取代反应制备硫酸四氨合铜（Ⅱ）。 3.掌握和巩固倾析法、减压过滤、蒸发浓缩和重结晶等基本实验操作。 4.掌握固体的灼烧、直接加热、水浴加热和溶解等操作。 二、实验原理 1.利用废铜粉灼烧氧化法制备CuSO4·5H2O： 先将铜粉在空气中灼烧氧化成氧化铜，然后将其溶于硫酸而制得： 2Cu + O2 === 2CuO（黑色） CuO + H2SO4 === CuSO4 + H2O 由于废铜粉不纯，所得CuSO4溶液中常含有不溶性杂质和可溶性杂质FeSO4、Fe2(SO4)3及其他重金属盐等。Fe2+离子需用氧化剂H2O2溶液氧化为Fe3+ 离子，然后调节溶液pH≈4.0，并加热煮沸，使Fe3+离子水解为Fe(OH)3沉淀滤去。其反应式为 2Fe2+ + 2H+ + H2O2 === 2Fe3+ + 2H2O Fe3+ + 3H2O === Fe(OH)3↓+ 3H+ CuSO4·5H2O在水中的溶解度，随温度的升高而明显增大，因此粗硫酸铜中的其他杂质，可通过重结晶法使杂质在母液中，从而得到较纯的蓝色水合硫酸铜晶体。 硫酸铜晶体的化学式可写为[Cu(H2O)4]SO4·H2O，习惯上简写为CuSO4·5H2O，其中5个水分子结合的方式有所不同，Cu2+有空轨道，每个Cu2+可以跟4个水分子形成配位键，离子还可与1个水分子里的H原子形成氢键。 水合硫酸铜在不同的温度下可以逐步脱水，其反应式为 CuSO4·5H2O === CuSO4·3H2O + 2H2O（48℃） CuSO4·3H2O === CuSO4·H2O + 2H2O（99℃） CuSO4·H2O === CuSO4 + H2O（218℃） 2.硫酸四氨合铜（Ⅱ）（[Cu(NH3)4]SO4·H2O）的制备 硫酸四氨合铜（Ⅱ）（[Cu(NH3)4]SO4·H2O）为蓝色正交晶体，在工业上用途广泛，主要用于印染，电镀，纤维，杀虫剂的制备和制备某些含铜的化合物。本实验通过将过量氨水加入硫酸铜溶液中反应得硫酸四氨合铜。离子反应式为： [Cu(H2O)6]2+ +4NH3 +SO42- ====[Cu(NH3)4]SO4·H2O+5H2O 硫酸四氨合铜溶于水但不溶于乙醇，因此在硫酸四氨合铜溶液中加入乙醇，即可析出深蓝色的[Cu(NH3)4]SO4·H2O晶体。 三、实验仪器及试剂 1.仪器： 托盘天平、恒温烘箱、干燥器、温度计（300℃）、瓷坩埚、研钵、烧杯（50mL）、电炉、布氏漏斗、抽滤瓶、精密pH试纸、蒸发皿、表面皿，水浴锅、量筒（10mL）。 2.试剂： 铜粉、无水乙醇、H2SO4(2mol·L－1)、H2O2(3%)、K3[Fe(CN)6](0.1mol·L－1)、NaOH(2mol·L－1)、氨水NH3·H2O（1:1）。 四、实验步骤
湖北警官学院虚拟仿真实验教学建设方案 一、方案背景 虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。为贯彻落实《教育部关于全面提高高等教育质量的若干意见》（教高〔2012〕4号）精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》，教育部决定于2013年启动开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作。其中虚拟仿真实验教学的管理和共享平台是中心建设的重要内容之一。 目前，大多数高校都有针对课程使用实验教学软件，但由于每个专业或课程的情况不同，购买的软件所采用的工作环境、体系结构、编程语言、开发方法等也各不相同。由于学校管理工作的复杂性，各校乃至校内各专业的实验教学建设大都自成体系，各自为政，形成了“信息孤岛”。主要面临如下问题：? 管理混乱，各种实验教学软件缺乏统一的集中管理。 ? 使用不规范，缺乏统一的操作模式和管理方式； ? 可扩展性差，无法支持课程和相应实验的扩展； ? 各系统的数据无法共享，容易形成“信息孤岛”； ? 缺乏足够的开放性； ? 软件部署复杂，不同的软件不能运行在同一台服务器上； 二、方案目标 该方案的目标就是高效管理实验教学资源，实现校内外、本地区及更广范围内的实验教学资源共享，满足多地区、多学校和多学科专业的虚拟仿真实验教学的需求。平台要实现学校购置的所有实验软件统一接入和学生在平台下进行统一实验的目的，通过系统间的无缝连接，使之达到一个整体的实验效果，学校通过该平台的部署，不仅可以促进系统的耦合度，解决信息孤岛的问题，还可以使学校能够迅速实施第三方的实验教学软件。 平台提供了全方位的虚拟实验教学辅助功能，包括：门户网站、实验前的理论学习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的智能指导、实验结果的自动批改、实验成绩统计查询、在线答疑、实验教学效
空气占据空间的实验创 新 Document number：NOCG-YUNOO-BUYTT-UU986-1986UT
空气占据空间的实验创新 高佳 一、实验在教材中的地位与作用 1、“空气占据空间”是科教版小学科学三年级上册P78中的教学活动。让学生在探究的过程中认识空气确实存在，空气和其他物质一样，能够占据空间。为后面《空气占据空间的变化》《空气的重量》的学习奠定基础。 2、通过尝试设计与完成实验过程，培养学生的观察能力、探究创新能力，对发展学生科学素养，培养探究精神具有重要的作用。 二、实验原型及不足之处（一） 1、实验材料橡皮泥有毒；操作中容易 出现橡皮泥堵塞吸管的失误，从而导致 实验失败。 2、一次性吸管学生反复试吹不够卫生， 丢弃易造成资源浪费和环境污染。 3、学生气息不足，很难将水顺利吹出来， 现象不明显。 实验原型及不足之处（二） 1、如果杯子接触水面时没有垂直， 很难达到理想的效果。 2、三年级的学生在操作时容易 把纸团掉在水中,采用纸张， 不利环保。 三、创新实验的器材 玻璃水槽、去底矿泉水瓶（缠绕铁丝）、 玻璃管、橡胶管、带孔橡皮塞、乒乓球、 注射器、红墨水等。
四、实验创新与改进之处 创新实验1 ①用胶塞替代有毒的橡皮泥更安全环保 ②用玻璃管代替塑料吸管，消除浪费，减少了污染。 ③用推注射器活塞代替用嘴吹气实验 安全可靠更加卫生。 创新实验2 用乒乓球代替纸团能节约用纸，保护森林，实验更加绿色环保。 创新实验3 ①在矿泉水瓶壁粘贴刻度尺，在水 面放一乒乓球可以非常直观地观 察到瓶内水位的升降。 ②用推拉注射器的活塞来控制瓶内 空气的流动，操作方便，现象明显
DOI 10.1007/s11141-015-9547-8 Radiophysics and Quantum Electronics,Vol.57,Nos.8–9,January,2015 (Russian Original Vol.57,Nos.8–9,August–September,2014) APPLICATION OF THE PHASE LIGHT MODULATOR IN THE IMAGE OPTICAL ENCRYPTION SCHEME WITH SPATIALLY INCOHERENT ILLUMINATION A.P.Bondareva,N.N.Evtikhiev,V.V.Krasnov,? and S.N.Starikov UDC004.932.4+004.942 +535.42+535.8 We describe application of the phase liquid-crystal spatial light modulator HoloEyePLUTOVIS as an encoding element in the image optical encryption scheme with spatially incoherent illumi- nation.Optical encryption and numerical decryption of test images were conducted.The results of experiments demonstrate the e?ciency of the constructed optical encryption scheme. 1.INTRODUCTION Currently,we are witnessing the existence and intense development of the optical encryption meth-ods characterized by a high speed,simultaneous multichannel processing,and the absence of concomitant radiation in the radio-frequency band.Encryption systems in spatially coherent monochromatic light are widespread.One of the best-known systems uses the double random-phase encryption[1–5].In this case, encryption is performed in monochromatic spatially coherent light using two random phase masks.Appli-cation of random phase masks as two-dimensional encoding keys leads to the fact that such systems have a high cryptographic strength.However,because of the need to record phase,such systems require holo-graphic methods of recording and,correspondingly,complex optical schemes.Moreover,the use of random phase masks leads to a poor-quality encryption of images. To simplify the encryption schemes and improve the decryption quality,one can pass from spatially coherent to spatially incoherent radiation.In this case,recording of the encrypted image is no longer required and the holographic recording scheme becomes unnecessary.The encryption is performed by transmission of monochromatic spatially incoherent radiation from the encrypted object through a di?ractive optical element,resulting in the formation of an intensity distribution described by the object image convolution with a point spread function,namely,an impulse response of the di?ractive optical element in intensity[6, 7].This intensity distribution is the encrypted image recorded by a matrix photosensor. The fundamental possibility of optical encryption in incoherent light was demonstrated in[8],but using a random phase mask as the encoding di?ractive optical element precluded the achievement of an acceptable decryption quality.This is because the point spread function of a random phase mask is virtually unlimited in space and signi?cantly exceeds the size of the encrypted image.As a result,the photosensor records only the central part of the encrypted image,which leads to distortions of the decrypted image.To solve this problem,we suggest that the encoding element is not used as a random phase mask,but as a di?ractive optical element having a given spatially limited point spread function,with length smaller than the size of the encrypted image. ?vitally.krasnov@mail.ru National Nuclear Research University(NNRU),Moscow,Russia.Translated from Izvestiya Vysshikh Ucheb-nykh Zavedenii,Radio?zika,Vol.57,No.8–9,pp.693–701,August–September2014.Original article submitted November11,2013;accepted March31,2014. 0033-8443/15/5708-0619c 2015Springer Science+Business Media New York619
《应用化学实验Ⅰ》课程实验教学大纲 一、制定实验教学大纲的依据 根据本校《2004级本科指导培养计划》和应用化学教学基本要求而编写。 二、本实验课在专业人才培养中的地位和作用 《应用化学实验?》密切配合有机波谱分析和现代仪器分析的理论课，使学生在具有一定专业基础知识和技能的基础上，运用现代分析测试仪器，结合计算机知识进行各种试样组分的分离分析、成分测定、结构分析以及分析数据的计算机处理。 三、本实验课讲授的基本实验理论 本实验课程讲授电化学分析、高压液相色谱仪、气相色谱仪、原子吸收光谱仪以及紫外光谱仪、红外光谱仪等大型精密仪器的基本原理和基本操作方法；使学生掌握高压液相色谱、气相色谱分离混合物的基本操作与技能，掌握原子吸收光谱法测定金属元素的方法；掌握红外光谱仪、紫外光谱仪的制样技术和一般谱图的解析方法。 四、本实验课学生应达到的能力 1、掌握电位法测定离子浓度的基本原理和实验技术 2、掌握高压液相色谱、气相色谱分离混合物的基本操作与技能； 3、掌握原子吸收光谱法测定金属元素的方法； 4、了解紫外光谱仪、红外光谱仪的基本组成和构造，掌握制样技术和一般谱图的解析方法。 五、学时、教学文件 学时：本课程总学时为32学时，实验32学时。 教学文件：《应用化学实验指导书》，杜宝中编，校内印刷，2004 要求：学生实验前预习实验内容，并写出预习报告。指导教师应概述实验的原理、方法及设备使用等，具体实验步骤和实际数据处理由学生独立完成。 六、实验考核办法与成绩评定 实验成绩分平时成绩和考试成绩两部分，平时成绩占60%，考试成绩以最后的综述论文成绩记入总分，占实验成绩的40%。总成绩及格可获得学分，不及格者需重修。 七、仪器设备及注意事项 仪器设备：红外光谱仪、紫外光谱仪、原子吸收光谱仪、气和色谱、高效汇相色谱仪、PH/my 计。 注意事项：注意保护设备，严格按仪器使用规则操作，维持仪器的完好率。
.. . .. . . 实验报告 课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 成绩：___ ____ 实验名称： 液晶光阀用于光学图像实时处理 实验类型：综合型 同组学生： 一、实验目的和要求 二、实验容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和建议 一、 实验目的和要求 1、了解液晶光阀的工作原理和使用方法； 2、掌握采用液晶光阀实现非相干光——相干光图像转换和图像反转的工作原理和方法； 3、掌握应用液晶光阀进行光学图像实时相减和实时微分的方法，加深对光学图像实时处理的理解。 二、 实验容和原理 1. 液晶特性 (1) 液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向特性，又有液体的流动性。 (2) 当液晶分子有序排列时表现出光学各项异性：光矢量沿分子长轴方向时具有较大的非常光折射率ne ；而垂直分子长轴方向位寻常光折射率no(针对p 型液晶材料）。 (3) 晶轴方向即为分子长轴方向。在组成液晶盒的两玻璃间加一电压，其中的液晶分子在电场作用下会沿着电场方向排列，即光轴方向沿电场方向偏转。电场控制了双折射效应的变化。 (4) 液晶光阀正是利用此特点而制成的器件。 2. 液晶光阀结构示意 1--玻璃基片 2--透明电极 3--光导层 4--挡光层 5--介质反射膜 6--定向层 7--液晶层 8--衬垫 E--低压音频电源 K--开关 3. 液晶光阀工作原理 (1) 如液晶光阀结构图所示，工作时将待处理的非相干图像从右侧成像在光电导层上，把它作为写入光。读出光束从左侧入射，经起偏器使其偏振方向与液晶左侧分子指向方向一致。经透明电极、液晶盒之后，在右侧的介质反射膜处返回，再次穿过液晶层经偏振分光镜后，通过一个透光轴方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器，成为输出光束。 (2) 由于光阻挡层和反射膜都很薄，交流阻抗很小，因而加在两透明电极之间的外电压主要落在液晶层和光 E 1 8 1 5 4 6 7 6 2 3 K 2 写入光 读出光 偏振分光镜 输出光 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211
软件工程专业创新实验教学 引言 为了改变目前高等教育培养过程中实践教学环节与企业需求脱节、学生动手能力不强的现状，大学生创新性实验计划应运而生。通过实施计划，高校可以推广研究性学习和个性化培养的教学方式，形成创新教育氛围，建设创新文化，进一步推动高等教育的教学改革，提高教学质量。除了教育部组织的国家大学生创新实验计划外，各省教育厅、各高等院校也纷纷推出省级和校级的大学生创新实验计划。在各个高校内，学生踊跃参加各个级别的创新实验，对激发学生的学习兴趣、提高学生动手能力起到积极作用。 随着互联网和移动互联网的广泛应用，软件工程专业走在了科技发展的最前端，新的软件开发技术层出不穷，如果教师在教学过程中仅仅局限于基础理论知识的讲解，那么学生所学的专业知识将会同企业的要求产生巨大差距。在软件工程专业中大力推广创新实验，有助于学生学习前沿的软件开发技术，激发学生对专业的兴趣，让学生切实体会到创新实验对学习的促进作用。 1当前软件工程本科专业的教学局限性 软件工程专业的特点是综合性强、实践性强、学科发展速度快，学生除了需要学习专业基础知识外，还要具备比较强的实践动手能力，理解软件项目管理方法和团队协作方法。在传统的软件工程教学模式下，学生更注重基础理论的学习，导致理论和实践脱节，普遍感觉软
件工程理论晦涩，实践能力较弱，具体原因分析如下。 1.1传统教学的局限 在传统的教学过程中，理论教学偏重课堂讲授，实验多以小型验证型为主。软件工程专业的理论知识较为复杂，学生在课堂中不容易全部接受;验证型实验通常只验证基础理论，学生做完实验后仅仅是对基本理论有一个简单认识，很难做到对课程知识融会贯通，更难做到综合运用。在软件公司中，软件项目的顺利完成是一个复杂工程，项目员工除了需拥有过硬的编程能力外，还需要具有团队合作能力、沟通能力、计划能力和时间管理能力等，而在传统的教学过程中，这些综合能力不容易得到提高，如果学生没有经过实际的团队项目开发锻炼，很难得到全方位提升。 1.2培养计划的局限 在高等学校软件工程专业培养计划中，学科知识一般分为多门课程讲授，每门课程再分成单独的理论课和实验课，学生在毕业设计时才有机会综合运用各个课程的知识。软件开发强调的是软件工程学科知识的综合运用，因此只有尽多、尽早地进行实际项目的开发，才能掌握各门学科之间的内在联系，加深对软件工程专业核心知识的掌握。 1.3理论教学和实践的差距 从目前软件公司的发展阶段来说，大部分公司从事的是行业软件开发，这些公司对学生的实际编程能力要求较高。然而，高校强调的是基础理论的学习，公司频繁使用的知识(如J2EE编程技术、IT项目管理、软件测试技术等)在高校中均被列为选修课或考查课，导致学
《空气占据空间》创新实验方案 《空气占据空间》创新实验方案 实验在教材中所处的地位与作用 《空气占据空间吗？》这一实验课，选自小学科学三年级上册第四单元水和空气的第六课，它是在学生学习了解水的有关知识的基础上，进而探究空气的体积问题，为下个课题空气的重量打下基础，在整个单元中起到了承上启下的作用，课题探究中的排水法也为初中化学的学习打下基础。 实验原型和及不足之处 实验原型：教材中通过四个实验来探究空气占据空间：A：往瓶中吹入空气，将瓶中水挤出来；B：把一团纸巾放在一个杯子的底部，然后将杯子竖直倒扣入水中，取出观察纸巾是否打湿；C：用两只同样大小注射器，分别抽取同样多的水和空气，然后用手指堵住管口，用同样大小的力向下压活塞，观察；D：向瓶中加入小石子，使水位上升。 实验的不足之处： 实验内容多，较分散，不便于准备实验：观察内容多，对三年级学生而言，容易分散注意力，且不易得出正确结论。 第一个实验：用嘴向瓶内吹空气，学生在操作时不卫生，易出现吸气情况；第二个实验：将纸巾放在杯底，竖直扣入水中，易出现纸巾掉入水中，倒扣时如果不竖直而有点倾斜时，容易导致实验失败；第
三个实验，学生如果用力不均等，效果不明显，而且不便于操作；第四个实验：存在一定的安全隐患。 实验创新与改进之处化零为整，将四个实验归整为一个实验，实验时一气呵成，便于实验准备和观察。 实验中利用控制彩色乒乓球停留在水中不同位置，通过水槽上的刻度条，观察空气占据空间的情况，增强了实验的有趣性、科学性和可操作性，易于培养学生的观察能力和动手能力，充分体现了愉快教学的理念实验器材环保，日常生活中常见，也便于学习下来后学生继续进行探究性的实验。 实验器材 玻璃水槽（贴有刻度条）、塑料瓶（两个）、塑料盖（2个，其中一个完好，一个打孔）、气枪、彩色气球。 实验过程 将两只黄色乒乓球放于水中，先观察乒乓球位置，作好记录； 用两只去底但盖有瓶盖的塑料瓶分别罩在两只乒乓球上向水中压下，观察乒乓球在水中位置，作好记录（此时发现乒乓球会停在不同位置，让学生思考并探究其原因，原来一个瓶盖完好，一个瓶盖上打了孔，空气从孔中跑掉，进而引导学生得出空气占据空间的结论）。 在瓶盖上扣上一只气球（瓶盖上打孔），再次将塑料瓶倒扣入水中，观察乒乓球和气球情况（随着乒乓球在水中的上升，气球体积增大，原来瓶中的空气被水挤入了气球中，由于空气占据空间，所以气球鼓了起来）。用气球往塑料瓶中注入体积多少不等的空气，控制乒乓
1 应用化学实验 实验1 雪花膏护肤化妆品的制备 学习护肤化妆品的基本知识；初步掌握配制乳化制品的基本操作技术。 雪花膏是一种雪白、芬香的膏霜状护肤品，涂抹在皮肤上丝毫没有油腻的感觉，有阻止皮肤水分过度蒸发，保持皮肤柔软的作用。 一、原料与配方 原料质量百分数% 原料质量百分数% 硬脂酸15.0 氢氧化钠（1%水溶液） 5.0 单硬脂酸甘油酯1.0 防腐剂0.05 十六（烷）醇1.0 香料适量 丙二醇10.0 精制水62.0 氢氧化钾（10%水溶液） 6.0 二、制备化妆品的原材料都有严格的规格要求，以保证制品的安全性、效用、色泽、气味、贮存稳定性等各项指标符合规定。现将配方中各种成分的性质和功能简介如下。 硬脂酸是雪花膏的主要成分，以遮盖作用减缓皮肤水分的蒸发，对皮肤还有 一定的柔滑作用。硬脂酸纯品的熔点为71.5～，d4 20 0.9408。工业产品的硬 脂酸是固体脂肪酸的总称，主要由C18 和C16 饱和脂肪酸组成。它是由动植物油脂（牛羊脂、棕榈油、棉籽油之类）经水解、蒸馏或热压（分出油酸）等工序制成。低级品只浇盘热压一次，高质量产品还须重复加以热压提纯。制雪花膏须使用一级硬脂酸，其凝固点为54～，碘值在2 以下。如使用碘值较高的硬脂酸，则制出的产品易发黄，而且在贮存过程中易引致酸败。 碱配制雪花膏时以脂肪酸皂或其它表面活性剂为乳化剂。本实验按照传统方法，用碱中和一部分硬脂酸，生成的硬脂酸皂即起着乳化剂的作用。用钠皂制得的产品稠度高，但久置后易产生油水分离。用钾皂则结果相反。在本实验中，钾皂和钠皂的质量，约为中和后剩余硬脂酸的35％。钾皂与钠皂大约按10:1 用量搭配使用。实践证明这种配比可制得分散状态良好，稠度适中的稳定的乳化体。
创新教学模式打造实践教学新平台 “全国职业教育先进单位” “国家高技能人才培养示范基地” “国家职业教育改革发展示范学校” “湖北省技工院校改革发展先进单位” …… 能集众多荣誉于一身，且在湖北省乃至全国都有一定影响力的技工院校并不多，而襄阳技师学院做到了。襄阳技师学院能够从默默无闻发展成为职教名校，原因固然很多，学院大胆而稳健地推进一体化教学改革，是它成功的重要因素。 一、实施背景 襄阳区域经济快速发展。襄阳市成为湖北省副省域中心城市，“四个襄阳”的建设需要大批实用型技能人才，襄阳技师学院责无旁贷。专业岗位的需求。我国市场经济和现代加工技术的迅速发展，社会及企业对技能人才的知识与技能结构提出了更高、更细的要求。 二、主要目标 以综合职业能力培养为目标。全面培养学生德、智、体、美、劳的综合能力，为社会主义现代化建设服务，为“四
个襄阳”建设培养综合素养强的建设人才。以典型工作任务为载体。制定专业教学计划，改革教学内容和方法，更加注重课程的实用性和针对性。培养学生“精”、“专”的专业技能，使学生更易于就业，使学生更受企业的欢迎。 三、工作过程 （一）构建一体化课程体系。（1）深入企业调研，确立人才培养标准。我院刘艳芳、张几峰、廖建、冯玲等教师多次深入襄阳轴承集团、中日龙公司、湖北新火炬科技股份有限公司等企业调研，了解市场对各专业人才的要求与职业能力标准。（2）校企合作，提取典型工作任务。我院在深入企业进行调研的基础上，与企业专家合作，对企业生产环境，产品加工流程等问题进行研讨，提取典型工作任务，避免学校教学与企业实际生产的脱节，有利于学校与企业的对接，为一体化课程改革打下了良好的基础。（3）编写一体化教材。我们结合校企合作的具体要求，编写了《零件的钳加工》、《零件的普通车床加工》、《产品质量检测》、《数控编程与模拟加工》、《零件的数控车加工》、《组合件的加工与装配》、《配合件的数控车床加工》等一体化课程教材。 （二）组建一体化教室。我们根据一体化教学要求，在学习南阳工业学校等兄弟学校先进经验的基础上，立即着手在钳工教室旁边专门设立了网络信息工作站，添设了资料查询柜，设置了联网计算机。
应用化学专业实验（二） 讲义 化学生物与材料工程学院 2012，11，17
绿色植物色素的提取及色谱分离 一、实验目的 1、通过绿色植物色素的提取和分离，了解天然物质分离提纯方法； 2、通过柱色谱和薄层色谱分离操作，加深了解微量有机物色谱分离鉴定的原理。 二、实验原理 1. 柱色谱原理 液体样品从柱顶加入，流经吸附柱时，即被吸附在柱中固定相（吸附剂）的上端，然后从柱顶加入流动相（洗脱剂）淋洗，由于固定相对各组分吸附能力不同，以不同速度沿柱下移，吸附能力弱的组分随洗脱剂首先流出，吸附能力强的组分后流出，分段接收，以此达到分离、提纯的目的。 2. 薄层色谱原理 由于混合物中的各个组分对吸附剂（固定相）的吸附能力不同，当展开剂（流动相）流经吸附剂时，发生无数次吸附和解吸过程，吸附力弱的组分随流动相迅速向前移动，吸附力强的组分滞留在后，由于各组分具有不同的移动速率，最终得以在固定相薄层上分离。其应用主要有：跟踪反应进程；鉴定少量有机混合物的组成；分离；寻找柱色谱的最佳分离条件等。 绿色植物如菠菜叶中含有叶绿素（绿）、胡萝卜素（橙）和叶黄素（黄）等多种天然色素。 本实验从菠菜中提取上述几各色素，并通过薄层层析和柱层析进行分离。 三、主要仪器与试剂 仪器：研钵、布氏漏斗、圆底烧瓶、直形冷凝管、层析缸
试剂：硅胶G，中性氧化铝，甲醇，石油醚（60-90℃），丙酮，乙酸乙酯，菠菜叶。 四、实验流程 五、实验步骤 1、菠菜色素的提取 称取2g洗净后的新鲜（或冷冻）的菠菜叶，用剪刀剪碎并与10mL甲醇拌匀，在研钵中研磨约5min然后用布氏漏斗抽滤菠菜汁，弃去滤渣。 将菠菜汁放回研钵，每次用10mL 3:2（体积比）的石油醚-甲醇混合液萃取两次，每次需加以研磨并且抽滤。合并深绿色萃取液，转入分液漏斗，每次用5mL水洗涤两次，以5 mL饱和食盐水洗一次，以除去萃取液中的甲醇。洗涤时要轻轻旋荡，以防止产生乳化。弃去水-甲醇层，石油醚层用无水硫酸钠干燥后滤入圆底烧瓶，旋蒸除去大部分石油醚至体积约为1mL为止。 2、薄层层析 取四块显微载玻片，用硅胶G加0.5%羧甲基纤维素调制后制板，晾干后在110℃活化1h。 展开剂：（a）石油醚-丙酮=8:2（体积比） （b）石油醚-乙酸乙酯=6:4（体积比） 取活化后的层析板，点样后，小心放入预先加入选定展开剂的广口瓶内，盖好瓶盖。待展开剂上升至规定高度时，取出层析板，在空气中晾干，用铅笔做出标记，并进行测量，分别计算出Rf值。 分别用展开剂a和b展开，比较不同展开剂系统的展开效果。观察斑点在板上的位置并排列出胡萝卜素、叶绿素和叶黄素的Rf值的大小次序。注意更换展开剂时，须干燥层析瓶。 3、柱层析
空间光通信技术简介 空间光通信又称为激光无线通信或无线光通信。根据用途又可分为卫星光通信和大气光通信两大类。自从60年代激光器问世开始，人们就开研究激光通信，这时的研究也主要集中在地面大气的传输中，但因各种困难未能进入实际应用。低损耗光纤波导和实用化半导体激光器的诞生为激光通信的实际应用打开了大门，目前光纤通信已经遍布世界各国的各个城市。由于对无线通信的需求的增长，再有卫星激光通信的快速发展，自从90年代开始，人们又开始重新对地面无线光通信感兴趣，进行了大量的研究，并且开发出可以实用的商业化产品。 一、开展空间光通信研究的意义及应用前景 1.作为卫星光通信链路地面模拟系统的技术组成部分 卫星光通信链路系统在上卫星前必须有地面模拟演示系统，以保障电子系统、光学系统、机械自动化控制系统等各子系统的良好工作。在链路捕捉完成以后，与以太网相连的无线光通信系统借助于光链路的桥梁，源源不断地输送以太网上的信息，这是考验光链路稳定性能的重要指标。 2.为低轨道卫星与地面站间的卫星光通信打下良好的技术基础 低轨道卫星与地面站的通信会受到天气的影响，选择干旱少雨地区建立地面站在相当程度上缓解了这一矛盾，再通过地面站之间的光纤网可以把卫星上信息送到所需地点，这从技术上牵涉到空间光通信网与光纤网连接问题，这方面问题已经基本得到解决。 3.空间光通信具有巨大的潜在市场和商业价值 ●可以克服一些通常容易碰到的自然因素障碍 当河流、湖泊、港湾、马路、立交桥和其它自然因素阻碍铺设光纤时，无线光通信系统可跨越宽阔的河谷，繁华的街道，将两岸或者岛屿与陆地连接起来。 ●提供大容量多媒体宽带网接入 用无线光通信系统作为接入解决方案，不需耗资、耗时地铺设光纤就能满足对办公大楼或商业集中区大容量接入的需要。 ●可为大企业、大机关提供内部大容量宽带网 无线光通信系统能在企业、机关范围内为建筑物与建筑物之间的大容量连接提供一种开放空间传送的解决方案。 ●为公安、军队等重要部门提供高速宽带保密通信。 ●支持灾难抢救的应急系统 无线光通信系统可为灾难抢救提供一种大容量的临时通信解决方案 ●为一时性大规模的重要活动提供临时的大规模通信系统 例如，奥运会和其他体育运动会、音乐会、大型会议以及贸易展览会等专门活动往往需要大容量宽带媒体覆盖。无线光通信系统能提供一种迅速、经济而有效的解决方案，不受原有通信系统的带宽限制，也不用再去办理光纤铺设许可证。 二、空间光通信的优势 1.组网机动灵活 无线光通信设备将来可广泛适用于数据网（Ethernet，Token Ring，Fast Ethernet，FDDI，ATM,STM-x等）、电话网、微蜂窝及微微蜂窝（E1/T1—E3/T3，OC-3等）、多媒体（图像）通信等领域。可以把这些网上信息加载在光波上，在空气中直接传输出去，这种简便的通信方式对于频率拥挤的环境是非常理想的，例如：城市、大型公司、大学、政府机构、办公楼群等。2.克服天气对激光传输的影响，实现全天候通信
实验报告 课程名称： 2011-2012光信息综合实验 指导老师： 成绩：___ ____ 实验名称： 液晶光阀用于光学图像实时处理 实验类型：综合型 同组学生姓名： 一、实验目的和要求 二、实验内容和原理 三、主要仪器设备、操作方法和实验步骤 四、实验结果记录、数据处理分析 五、思考题 六、实验中遇到的问题，心得体会，意见和 建议 一、实验目的和要求 1、了解液晶光阀的工作原理和使用方法； 2、掌握采用液晶光阀实现非相干光——相干光图像转换和图像反转的工作原理和方法； 3、掌握应用液晶光阀进行光学图像实时相减和实时微分的方法，加深对光学图像实时处理的理解。 二、实验内容和原理 1. 液晶特性 (1) 液晶是一种有机高分子化合物，既有晶体的取向特性，又有液体的流动性。 (2) 当液晶分子有序排列时表现出光学各项异性：光矢量沿分子长轴方向时具有较大的非常光折射率ne ；而垂直分子长轴方向位寻常光折射率no(针对p 型液晶材料）。 (3) 晶轴方向即为分子长轴方向。在组成液晶盒的两玻璃间加一电压，其中的液晶分子在电场作用下会沿着电场方向排列，即光轴方向沿电场方向偏转。电场控制了双折射效应的变化。 (4) 液晶光阀正是利用此特点而制成的器件。 2. 液晶光阀结构示意 1--玻璃基片 2--透明电极 3--光导层 4--挡光层 5--介质反射膜 6--定向层 7--液晶层 8--衬垫 E--低压音频电源 K--开关 3. 液晶光阀工作原理 (1) 如液晶光阀结构图所示，工作时将待处理的非相干图像从右侧成像在光电导层上，把它作为写入光。读出光束从左侧入射，经起偏器使其偏振方向与液晶左侧分子指向方向一致。经透明电极、液晶盒之后，在右侧的介质反射膜处返回，再次穿过液晶层经偏振分光镜后，通过一个透光轴方向与起偏器偏振方向垂直的检偏器，成为输出光束。 (2) 由于光阻挡层和反射膜都很薄，交流阻抗很小，因而加在两透明电极之间的外电压主要落在液晶层和光电导层上。控制液晶电光效应的实际电压值就由光电导层与液晶层的实际阻抗之比来决定，即取决于光电导层上的光照情况。 E 1 8 1 5 4 6 7 6 2 3 K 2 写入光 读出光 偏振分光镜 输出光 专业： 姓名： 学号： 日期： 地点： 玉泉教三209-211