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《中国光学学会2011年学术大会摘要集》2011年
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计算机仿真技术在物理光学教学改革中的探索与研究

杨振宇  
【摘要】:计算机仿真技术在物理光学教学改革中的探索与研究物理光学历来都是光学专业本科生必修的基础课,其在专业课程体系中的重要性是毋庸置疑的。物理光学课程教学的目的是通过学生对光学基础理论和基本光学实验的学习,充分理解光波的基本性质,掌握分析基本光学现象、问题的方法。它是帮助学生打好光学专业知识基础、激发学生创造力的关键环节。随着现代光学研究的迅猛发展,许多新兴的光学领域不断涌现出来,微/纳光子学、集成光子学成为这其中尤为重要的两个方向。这两个方向主要是研究微米、纳米级材料结构和器件的光学特性,如光学芯片、光学负折射效应、光子晶体、光学隐身衣、人工电磁材料等。它们潜在的应用领域相当广泛,包括光通信、半导体微纳制造、数据存储、生物探测等,而且近几年有些方向已经逐渐由实验室走向了实际应用。由于微/纳光子学、集成光子学所研究的对象是结构相对复杂、尺度又比较微小的光学系统。这样的光学系统既无法通过严格的理论推导来研究它们的光学特性,而且实际制备出这样的微尺度光学器件与系统成本很高。对于这些问题现在最通行的办法就是借助于先进的计算机仿真技术。实际上在许多领域,计算机仿真已经成为它们所不可缺少的研究方式,比如:计算机辅助机械设计、计算机辅助温度场分布模拟、计算机辅助电力系统潮流分布模拟等等。随着计算机科学的日益进步,仿真技术在解决光学问题方面存在许多优势:节约研究成本;缩短设计周期;不受实验条件的限制。现在,在光电行业的许多大公司里有专门的部门负责器件、系统的计算机设计与仿真。因此,培养具有计算机仿真理论基础与实践经验的光学专业人才也成为各相关用人单位的迫切需要。目前,我国在光学专业本科生中开设计算机仿真内容的高校还很少。但是国外尤其是美国,在培养光学类专业学生中开设计算机仿真理论与实践课程都已经走在了我们前面。具我们从各大学网站上了解到的,美国三大光学中心——亚利桑那大学光学中心、罗彻斯特大学光学中心、以及中佛罗里达大学光学中心已经在其物理光学实验中增加了计算机仿真的内容。威斯康星麦迪逊大学、科罗拉多州立大学、德克萨斯州立大学、犹他州立大学等更是在课程中增加了计算机仿真理论课——计算电磁学(Computational Electromagnetics)。我们本次教学研究借鉴了国外知名大学在光学计算机仿真教学方面的经验,在物理光学教学内容中引入计算机仿真相关知识,整体仿真平台利用了美国麻省理工学院研究小组开发的全免费、代码公开的MEEP系统。学生们可以在任意一台电脑上进行光学器件的设计与性能的仿真。我们相信通过这样的教学改革,能增强同学们的学习兴趣,促进学生对新概念、新方法的探索,培养他们创新研究能力;同时也能提高物理光学的整体教学水平,缩小同国外在这一环节上的差距;该教学改革也适应了当前光学专业学术研究领域、工程技术领域的发展趋势,以及它们对具有光学仿真理论基础与实践经验人才的迫切要求。
【作者单位】:华中科技大学光电子科学与工程学院
【分类号】:O436-4;TP391.9

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