仿真軟件在光電專業(yè)核心課程中的應(yīng)用研究

尹娟娟 俞侃 包佳祺

摘要：本文針對(duì)我校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)，對(duì)目前的專業(yè)核心課程進(jìn)行了深入研究。針對(duì)本專業(yè)課程理論性、應(yīng)用性較強(qiáng)等特點(diǎn)，重點(diǎn)研究仿真軟件在各門課程教學(xué)中的具體應(yīng)用。提出理論知識(shí)與軟件教學(xué)有機(jī)銜接的課程設(shè)置，強(qiáng)化軟件實(shí)踐操作，采取多樣靈活有效的方式輔助教學(xué)。該教學(xué)模式能夠激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，加深學(xué)生知識(shí)的深入了解，提高學(xué)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目開發(fā)技能。

關(guān)鍵詞：光電信息科學(xué)與工程；仿真軟件；專業(yè)核心課；光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）47-0185-03

光電子產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，涵蓋了與光電子技術(shù)有關(guān)的光電材料與元器件、光通信、激光、光電顯示、光輸出入、光存儲(chǔ)、紅外等行業(yè)，受到眾多國家乃至地區(qū)的廣泛關(guān)注。2018年，《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖》對(duì)信息光電子器件進(jìn)行了深入分析，進(jìn)一步表明全球范圍內(nèi)對(duì)光電子器件的需求不斷激增，光電子產(chǎn)業(yè)迎來黃金發(fā)展期。我校地處武漢光谷腹地，充分享有武漢光谷高新光電產(chǎn)業(yè)集中的區(qū)位優(yōu)勢(shì)。為了培養(yǎng)滿足21世紀(jì)光電子技術(shù)領(lǐng)域人才培養(yǎng)的要求，各高校對(duì)光電子專業(yè)的辦學(xué)思想、課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教材建設(shè)等方面進(jìn)行了積極的探索，力求培養(yǎng)適合社會(huì)、企業(yè)所需的高級(jí)專業(yè)人才。本校光電信息科學(xué)與工程專業(yè)（簡稱“光電專業(yè)”）的人才培養(yǎng)則緊密結(jié)合光電行業(yè)的人才需求，為畢業(yè)生提供更為優(yōu)質(zhì)的就業(yè)及發(fā)展條件。

一、光電專業(yè)課程現(xiàn)狀

在人才培養(yǎng)過程中，課程教學(xué)是其中非常重要的環(huán)節(jié)。我校的光電專業(yè)課程主要分為專業(yè)基礎(chǔ)課、專業(yè)核心課、專業(yè)方向課程以及實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)節(jié)。專業(yè)核心課程包括應(yīng)用光學(xué)、物理光學(xué)、激光原理與技術(shù)、光電探測(cè)與信號(hào)處理、光纖光學(xué)、通信原理等課程。專業(yè)方向課程則包括光纖通信技術(shù)、LED原理與技術(shù)、光電圖像處理技術(shù)、光電顯示等課程。光電專業(yè)核心課程通常包含大量的物理概念和數(shù)學(xué)公式，復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象與抽象的傳輸規(guī)律，講授過程中難以生動(dòng)形象。專業(yè)核心課程也具有較強(qiáng)的應(yīng)用性，需要將理論與實(shí)踐相結(jié)合進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。但是，目前光電專業(yè)所涉及的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備通常相對(duì)昂貴，僅一臺(tái)國產(chǎn)瓦級(jí)納秒固體激光器至少需要5萬元左右。光電專業(yè)軟件則要求的技術(shù)起點(diǎn)低，不僅能夠提升學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的深入了解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且能夠讓學(xué)生盡早地接觸實(shí)際的應(yīng)用設(shè)計(jì)。同時(shí)，學(xué)生掌握幾種相應(yīng)的光學(xué)軟件，有利于提高專業(yè)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的綜合運(yùn)用水平，有助于增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭力，也為將來的專業(yè)工作奠定良好的技能基礎(chǔ)。

二、仿真軟件的應(yīng)用

目前，光電專業(yè)軟件較多，依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域可大致分為：虛擬光學(xué)模擬軟件、光學(xué)設(shè)計(jì)軟件及光通信系統(tǒng)仿真軟件。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)軟件的建模、優(yōu)化、仿真效率、應(yīng)用領(lǐng)域及功能也在不斷加強(qiáng)。每種軟件均具有在某一個(gè)方向領(lǐng)域獨(dú)特的模擬優(yōu)勢(shì)，因此可充分地結(jié)合軟件的特點(diǎn)，揚(yáng)長避短，充分地為課程教學(xué)服務(wù)，提高學(xué)生的專業(yè)軟件技能水平。在虛擬光學(xué)模擬軟件中，主要有VirtualLab、MATLAB、RP Fiber Power、LabVIEW等。目前，本校光電專業(yè)已將相應(yīng)的軟件緊密融入對(duì)應(yīng)的專業(yè)核心課程中。

VirtualLab是由德國LightTrans公司研發(fā)的一款光學(xué)建模和系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析軟件，它基于電磁場(chǎng)核心理論，通過求解Maxwell方程組獲得整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在空間各個(gè)部分的光波場(chǎng)矢量信息。該系統(tǒng)內(nèi)核運(yùn)用了有限元數(shù)值計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，在圖形化的交互窗口中統(tǒng)一用Light Path流程圖的形式進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的建模與仿真分析。物理光學(xué)課程中，光波的電磁理論、光波的疊加、光波干涉與衍射、光波的偏振等物理概念及現(xiàn)象難以把握，任課教師進(jìn)行單純的理論教學(xué)，欠缺生動(dòng)性。對(duì)于該課程內(nèi)容，我們采用VirtualLab軟件對(duì)任意兩列光波相干疊加的干涉場(chǎng)、邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德干涉儀、F-P干涉儀等干涉系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。VirtualLab軟件中，光源可設(shè)置為高斯光束、球面波、平面波和超高斯光束。除了簡單平面波光學(xué)現(xiàn)象的模擬，也可分析實(shí)際光束的波動(dòng)光學(xué)現(xiàn)象，提高學(xué)生對(duì)物理光學(xué)課程內(nèi)容的深度，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)與理論模擬的認(rèn)識(shí)。激光原理與技術(shù)課程中，主要包括高斯光束的傳輸變換、激光諧振腔自再現(xiàn)模的形成、調(diào)Q及鎖模技術(shù)，課程理論性強(qiáng)、理論公式較為復(fù)雜，內(nèi)容難以理解，且實(shí)驗(yàn)器材昂貴，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)較為困難，課程實(shí)驗(yàn)具有一定的難度。VirtualLabTM提供了激光諧振腔工具箱，可以對(duì)線型腔、環(huán)形腔進(jìn)行建模，能分析穩(wěn)定腔的本征模、基模和高階模。將軟件對(duì)諧振腔特性的分析方法應(yīng)用到課堂，極大地增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)該理論的興趣，提高了實(shí)踐操作技能。

MATLAB軟件是國際科學(xué)界應(yīng)用范圍最廣泛和影響力最強(qiáng)的三大計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)語言之一，是國際公認(rèn)的最優(yōu)秀的科技應(yīng)用軟件。它是一款優(yōu)秀的集數(shù)值計(jì)算、符號(hào)計(jì)算、可視化功能于一體的大型科學(xué)計(jì)算軟件，主要應(yīng)用于工程計(jì)算、控制設(shè)計(jì)、信號(hào)處理與通訊、圖像處理、信號(hào)檢測(cè)、金融建模設(shè)計(jì)與分析等領(lǐng)域。在國外的高等院校里，MATLAB語言已經(jīng)成為大學(xué)生必須掌握的基本語言，并在各專業(yè)課程的教學(xué)中應(yīng)用越來越廣泛。在光電專業(yè)中的每一門核心課程，均有采用MATLAB對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、傳輸特性和通信系統(tǒng)等方面的仿真研究案例。將MATLAB應(yīng)用于物理光學(xué)課堂，可對(duì)物理光學(xué)中的各種實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行模擬仿真，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖像的方式清晰直觀地顯示出來。也可以采用動(dòng)畫的方式，動(dòng)態(tài)地模擬光學(xué)過程的變化，加深課程教學(xué)的直觀性及生動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。將MATLAB應(yīng)用于激光原理與技術(shù)課程，可對(duì)高斯光束的傳輸、光纖激光器、被動(dòng)調(diào)Q等技術(shù)進(jìn)行仿真分析。該部分的內(nèi)容較為抽象，可作為學(xué)生課后實(shí)踐類作業(yè)，為致力于激光技術(shù)方向或研究生深造的同學(xué)奠定較強(qiáng)的理論分析基礎(chǔ)。通信原理是光電專業(yè)一門重要的專業(yè)課程，主要內(nèi)容包括模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。本專業(yè)也將MATLAB用于模擬分析模擬信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)、模擬信號(hào)的數(shù)字傳輸變換、數(shù)字信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)，差錯(cuò)控制等系統(tǒng)的仿真。MATLAB軟件在通信原理課程中的仿真應(yīng)用，幫助學(xué)生更深入地學(xué)習(xí)該課程，提高學(xué)習(xí)的興趣，彌補(bǔ)通信類課程實(shí)驗(yàn)的不足。

RP Fiber Power是一款功能強(qiáng)大的用于設(shè)計(jì)和優(yōu)化光纖裝置的軟件，它尤其適用于光纖放大器、光纖激光器和無源光纖。對(duì)于無源光纖，該軟件可計(jì)算徑向?qū)ΨQ折射率分布弱導(dǎo)光纖導(dǎo)波模特性，包括橫向強(qiáng)度分布、有效模場(chǎng)面積、有效折射率及群速度色散等特性。對(duì)于光纖放大器及激光器，該軟件可以模擬激光激活離子運(yùn)動(dòng)，自發(fā)或受激輻射效應(yīng)、無輻射躍遷，能量轉(zhuǎn)換過程。也可計(jì)算ASE光源，分析摻雜及光強(qiáng)度的影響，以及輸出的噪聲特性。可動(dòng)態(tài)模擬放大器和激光器，包括調(diào)Q及鎖模技術(shù)。同時(shí)，該軟件也可模擬超短脈沖傳輸，分析各波段的放大效應(yīng)、非線性及色散效應(yīng)。以光纖光學(xué)課程為例，一般是從幾何光學(xué)開始，再通過經(jīng)典電磁場(chǎng)理論，介紹光波在均勻光纖和漸變光纖中的傳輸理論。經(jīng)過復(fù)雜的公式推導(dǎo)，得到光纖中導(dǎo)波模式的特性方程及模場(chǎng)分布。該分析過程雖然層次分明，符合邏輯，但在復(fù)雜的公式推導(dǎo)中得出抽象的結(jié)論，通常導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不足、學(xué)習(xí)效率較低等現(xiàn)象。

RP Fiber Power軟件，具有簡單的表格操作模式及腳本編輯模式。在表格操作模式中，操作較為簡單，僅需將數(shù)據(jù)填充至交互式表格即可。輸入數(shù)據(jù)之后，即可執(zhí)行運(yùn)算。軟件根據(jù)輸入數(shù)據(jù)產(chǎn)生腳本程序，繼而執(zhí)行腳本程序。以光纖模式特性分析為例，用戶只需簡單地修改模板中光纖折射率分布，運(yùn)行后即可獲得各特性參數(shù)，光纖的折射率分布、光束的強(qiáng)度分布及色散等特性圖形。軟件的表格操作模式如圖1所示。若采用MATLAB軟件進(jìn)行研究，則需從亥姆霍茲方程出發(fā)，得到光波傳輸?shù)呢惾麪柗匠獭＝Y(jié)合光波在光纖中傳輸?shù)倪吔鐥l件，導(dǎo)出弱導(dǎo)近似下的特征方程。利用MATLAB中的函數(shù)對(duì)特征方程進(jìn)行數(shù)值求解，才能獲得光纖的參數(shù)，結(jié)合軟件的三維作圖功能，可將光纖中的電場(chǎng)分布特性展示出來。該過程需要對(duì)MATLAB軟件的操作函數(shù)及算法具有較深的了解，并能夠編寫大量的程序語句創(chuàng)建光纖模型函數(shù)。很顯然，這對(duì)于對(duì)光纖模式理論內(nèi)容了解不深的學(xué)生是非常困難的。采用RP Fiber Power軟件的表格操作模式，則無須像MATLAB軟件一樣進(jìn)行復(fù)雜的編程，也無須對(duì)傳輸?shù)墓獠ń⒛Ｐ停ㄟ^簡單的修改即可獲得所有的橫向模場(chǎng)分布，如圖2所示。在腳本編輯模式中，用戶可靈活地編寫腳本語言，運(yùn)行程序。編寫程序雖具有較高的靈活性，但需用戶構(gòu)建復(fù)雜的模型及計(jì)算，故需要非常精通腳本語言。

除了以上三種軟件，還有眾多設(shè)計(jì)軟件也可以應(yīng)用到教學(xué)課程內(nèi)容中的軟件。例如，我校光電專業(yè)開展的應(yīng)用光學(xué)課程，該課程具有很強(qiáng)的實(shí)用性。與該課程相關(guān)的延伸課程則包括像差理論及像質(zhì)評(píng)價(jià)等課程。面對(duì)眾多的像差公式及理論，學(xué)生學(xué)習(xí)過程較為吃力，而該部分的課程內(nèi)容又和光學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)踐課程密切相關(guān)。為了更好地提高課堂教學(xué)效果，我們將成像光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，例如ZEMAX、CODE V等應(yīng)用于該課程中。ZEMAX軟件既可用于光學(xué)組件設(shè)計(jì)及照明系統(tǒng)的照度分析，也可建立反射、折射、衍射等光學(xué)模型。ZEMAX軟件讓學(xué)生得以直觀和形象地感知透鏡光學(xué)系統(tǒng)的建立、像質(zhì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的物理表述、像差優(yōu)化和系統(tǒng)成形等各個(gè)過程。目前可應(yīng)用到課程中的照明光學(xué)設(shè)計(jì)軟件還有ASAP，TracePro、LightTool等。通過課程理論知識(shí)與軟件教學(xué)的有機(jī)銜接，增加了課程教學(xué)的多樣性、生動(dòng)性及靈活性。

三、總結(jié)

將大量仿真軟件引入教學(xué)，將抽象難懂的光學(xué)規(guī)律和概念形象直觀地展現(xiàn)給學(xué)生，極大地激發(fā)了學(xué)生的求知欲。對(duì)于目前的這些商業(yè)光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，尤其是成像光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，優(yōu)化功能已十分強(qiáng)大。照明光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的優(yōu)化、建模功能也在不斷加強(qiáng)。原來抽象的光電理論及手工的光路計(jì)算，逐漸由計(jì)算機(jī)來完成，也極大地提升了光學(xué)設(shè)計(jì)的速度。但是，計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)只是教學(xué)的輔助，不能完全代替理論教學(xué)。即使光學(xué)設(shè)計(jì)軟件的功能已非常強(qiáng)大，也仍然僅是一種輔助手段。相對(duì)來講，尤其是照明光學(xué)設(shè)計(jì)軟件方面，功能還不夠強(qiáng)大。即使是比較強(qiáng)大的成像光學(xué)設(shè)計(jì)軟件，也無法替代紙面設(shè)計(jì)。因此，需要深入研究每種軟件的特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域，充分發(fā)揮它們?cè)诓煌n程領(lǐng)域的仿真設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。只有揚(yáng)長避短，才能極大地提升課堂教學(xué)效果，提高學(xué)生的積極主動(dòng)性、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及項(xiàng)目開發(fā)的實(shí)踐技能水平。

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