仿真軟件在光電專業核心課程中的應用研究

尹娟娟 俞侃 包佳祺

摘要：本文針對我校光電信息科學與工程專業應用型人才培養目標，對目前的專業核心課程進行了深入研究。針對本專業課程理論性、應用性較強等特點，重點研究仿真軟件在各門課程教學中的具體應用。提出理論知識與軟件教學有機銜接的課程設置，強化軟件實踐操作，采取多樣靈活有效的方式輔助教學。該教學模式能夠激發學生學習興趣，加深學生知識的深入了解，提高學生系統設計及項目開發技能。

關鍵詞：光電信息科學與工程；仿真軟件；專業核心課；光學系統設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）47-0185-03

光電子產業飛速發展，涵蓋了與光電子技術有關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、紅外等行業，受到眾多國家乃至地區的廣泛關注。2018年，《中國光電子器件產業技術發展路線圖》對信息光電子器件進行了深入分析，進一步表明全球范圍內對光電子器件的需求不斷激增，光電子產業迎來黃金發展期。我校地處武漢光谷腹地，充分享有武漢光谷高新光電產業集中的區位優勢。為了培養滿足21世紀光電子技術領域人才培養的要求，各高校對光電子專業的辦學思想、課程體系、教學內容、教學方法、教材建設等方面進行了積極的探索，力求培養適合社會、企業所需的高級專業人才。本校光電信息科學與工程專業（簡稱“光電專業”）的人才培養則緊密結合光電行業的人才需求，為畢業生提供更為優質的就業及發展條件。

一、光電專業課程現狀

在人才培養過程中，課程教學是其中非常重要的環節。我校的光電專業課程主要分為專業基礎課、專業核心課、專業方向課程以及實訓教學環節。專業核心課程包括應用光學、物理光學、激光原理與技術、光電探測與信號處理、光纖光學、通信原理等課程。專業方向課程則包括光纖通信技術、LED原理與技術、光電圖像處理技術、光電顯示等課程。光電專業核心課程通常包含大量的物理概念和數學公式，復雜的光學現象與抽象的傳輸規律，講授過程中難以生動形象。專業核心課程也具有較強的應用性，需要將理論與實踐相結合進行設計研究。但是，目前光電專業所涉及的實驗教學設備通常相對昂貴，僅一臺國產瓦級納秒固體激光器至少需要5萬元左右。光電專業軟件則要求的技術起點低，不僅能夠提升學生對理論知識的深入了解，激發學生的學習興趣，而且能夠讓學生盡早地接觸實際的應用設計。同時，學生掌握幾種相應的光學軟件，有利于提高專業知識與實際應用的綜合運用水平，有助于增強就業競爭力，也為將來的專業工作奠定良好的技能基礎。

二、仿真軟件的應用

目前，光電專業軟件較多，依據應用領域可大致分為：虛擬光學模擬軟件、光學設計軟件及光通信系統仿真軟件。隨著計算機技術的發展，光學軟件的建模、優化、仿真效率、應用領域及功能也在不斷加強。每種軟件均具有在某一個方向領域獨特的模擬優勢，因此可充分地結合軟件的特點，揚長避短，充分地為課程教學服務，提高學生的專業軟件技能水平。在虛擬光學模擬軟件中，主要有VirtualLab、MATLAB、RP Fiber Power、LabVIEW等。目前，本校光電專業已將相應的軟件緊密融入對應的專業核心課程中。

VirtualLab是由德國LightTrans公司研發的一款光學建模和系統設計分析軟件，它基于電磁場核心理論，通過求解Maxwell方程組獲得整個光學系統在空間各個部分的光波場矢量信息。該系統內核運用了有限元數值計算方法和計算機圖像處理技術，在圖形化的交互窗口中統一用Light Path流程圖的形式進行光學系統的建模與仿真分析。物理光學課程中，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象難以把握，任課教師進行單純的理論教學，欠缺生動性。對于該課程內容，我們采用VirtualLab軟件對任意兩列光波相干疊加的干涉場、邁克爾遜干涉儀、馬赫-曾德干涉儀、F-P干涉儀等干涉系統進行仿真分析。VirtualLab軟件中，光源可設置為高斯光束、球面波、平面波和超高斯光束。除了簡單平面波光學現象的模擬，也可分析實際光束的波動光學現象，提高學生對物理光學課程內容的深度，加深對實驗與理論模擬的認識。激光原理與技術課程中，主要包括高斯光束的傳輸變換、激光諧振腔自再現模的形成、調Q及鎖模技術，課程理論性強、理論公式較為復雜，內容難以理解，且實驗器材昂貴，精準調節較為困難，課程實驗具有一定的難度。VirtualLabTM提供了激光諧振腔工具箱，可以對線型腔、環形腔進行建模，能分析穩定腔的本征模、基模和高階模。將軟件對諧振腔特性的分析方法應用到課堂，極大地增強了學生對該理論的興趣，提高了實踐操作技能。

MATLAB軟件是國際科學界應用范圍最廣泛和影響力最強的三大計算機數學語言之一，是國際公認的最優秀的科技應用軟件。它是一款優秀的集數值計算、符號計算、可視化功能于一體的大型科學計算軟件，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。在國外的高等院校里，MATLAB語言已經成為大學生必須掌握的基本語言，并在各專業課程的教學中應用越來越廣泛。在光電專業中的每一門核心課程，均有采用MATLAB對實驗現象、傳輸特性和通信系統等方面的仿真研究案例。將MATLAB應用于物理光學課堂，可對物理光學中的各種實驗現象進行模擬仿真，將實驗結果以圖像的方式清晰直觀地顯示出來。也可以采用動畫的方式，動態地模擬光學過程的變化，加深課程教學的直觀性及生動性，激發學生學習的興趣。將MATLAB應用于激光原理與技術課程，可對高斯光束的傳輸、光纖激光器、被動調Q等技術進行仿真分析。該部分的內容較為抽象，可作為學生課后實踐類作業，為致力于激光技術方向或研究生深造的同學奠定較強的理論分析基礎。通信原理是光電專業一門重要的專業課程，主要內容包括模擬通信系統和數字通信系統。本專業也將MATLAB用于模擬分析模擬信號的調制與解調、模擬信號的數字傳輸變換、數字信號的調制與解調，差錯控制等系統的仿真。MATLAB軟件在通信原理課程中的仿真應用，幫助學生更深入地學習該課程，提高學習的興趣，彌補通信類課程實驗的不足。

RP Fiber Power是一款功能強大的用于設計和優化光纖裝置的軟件，它尤其適用于光纖放大器、光纖激光器和無源光纖。對于無源光纖，該軟件可計算徑向對稱折射率分布弱導光纖導波模特性，包括橫向強度分布、有效模場面積、有效折射率及群速度色散等特性。對于光纖放大器及激光器，該軟件可以模擬激光激活離子運動，自發或受激輻射效應、無輻射躍遷，能量轉換過程。也可計算ASE光源，分析摻雜及光強度的影響，以及輸出的噪聲特性。可動態模擬放大器和激光器，包括調Q及鎖模技術。同時，該軟件也可模擬超短脈沖傳輸，分析各波段的放大效應、非線性及色散效應。以光纖光學課程為例，一般是從幾何光學開始，再通過經典電磁場理論，介紹光波在均勻光纖和漸變光纖中的傳輸理論。經過復雜的公式推導，得到光纖中導波模式的特性方程及模場分布。該分析過程雖然層次分明，符合邏輯，但在復雜的公式推導中得出抽象的結論，通常導致學生學習興趣不足、學習效率較低等現象。

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，僅需將數據填充至交互式表格即可。輸入數據之后，即可執行運算。軟件根據輸入數據產生腳本程序，繼而執行腳本程序。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，運行后即可獲得各特性參數，光纖的折射率分布、光束的強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軟件進行研究，則需從亥姆霍茲方程出發，得到光波傳輸的貝塞爾方程。結合光波在光纖中傳輸的邊界條件，導出弱導近似下的特征方程。利用MATLAB中的函數對特征方程進行數值求解，才能獲得光纖的參數，結合軟件的三維作圖功能，可將光纖中的電場分布特性展示出來。該過程需要對MATLAB軟件的操作函數及算法具有較深的了解，并能夠編寫大量的程序語句創建光纖模型函數。很顯然，這對于對光纖模式理論內容了解不深的學生是非常困難的。采用RP Fiber Power軟件的表格操作模式，則無須像MATLAB軟件一樣進行復雜的編程，也無須對傳輸的光波建立模型，通過簡單的修改即可獲得所有的橫向模場分布，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，運行程序。編寫程序雖具有較高的靈活性，但需用戶構建復雜的模型及計算，故需要非常精通腳本語言。

除了以上三種軟件，還有眾多設計軟件也可以應用到教學課程內容中的軟件。例如，我校光電專業開展的應用光學課程，該課程具有很強的實用性。與該課程相關的延伸課程則包括像差理論及像質評價等課程。面對眾多的像差公式及理論，學生學習過程較為吃力，而該部分的課程內容又和光學設計實踐課程密切相關。為了更好地提高課堂教學效果，我們將成像光學設計軟件，例如ZEMAX、CODE V等應用于該課程中。ZEMAX軟件既可用于光學組件設計及照明系統的照度分析，也可建立反射、折射、衍射等光學模型。ZEMAX軟件讓學生得以直觀和形象地感知透鏡光學系統的建立、像質評價指標的物理表述、像差優化和系統成形等各個過程。目前可應用到課程中的照明光學設計軟件還有ASAP，TracePro、LightTool等。通過課程理論知識與軟件教學的有機銜接，增加了課程教學的多樣性、生動性及靈活性。

三、總結

將大量仿真軟件引入教學，將抽象難懂的光學規律和概念形象直觀地展現給學生，極大地激發了學生的求知欲。對于目前的這些商業光學設計軟件，尤其是成像光學設計軟件，優化功能已十分強大。照明光學設計軟件的優化、建模功能也在不斷加強。原來抽象的光電理論及手工的光路計算，逐漸由計算機來完成，也極大地提升了光學設計的速度。但是，計算機虛擬仿真技術只是教學的輔助，不能完全代替理論教學。即使光學設計軟件的功能已非常強大，也仍然僅是一種輔助手段。相對來講，尤其是照明光學設計軟件方面，功能還不夠強大。即使是比較強大的成像光學設計軟件，也無法替代紙面設計。因此，需要深入研究每種軟件的特點及應用領域，充分發揮它們在不同課程領域的仿真設計優勢。只有揚長避短，才能極大地提升課堂教學效果，提高學生的積極主動性、系統設計及項目開發的實踐技能水平。

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