尚學(xué)府 吳 慧 王亞偉

（江蘇大學(xué)理學(xué)院物理系 江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

在光學(xué)課程計算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)計中，為了演示實驗結(jié)果及光學(xué)系統(tǒng)在各種不同情況下，不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應(yīng)的模塊軟件.但由于編制這樣的模塊軟件工作量大、難度較高，往住使任課教師放棄在計算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)計中演示復(fù)雜的光學(xué)現(xiàn)象，即使有人花大量時間和精力編制出一些，也因為功能不強(qiáng)、效果不佳而影響教學(xué)展示.

然而將諸如VirtualLab等功能強(qiáng)大的商業(yè)光學(xué)設(shè)計軟件引入光學(xué)課程計算機(jī)輔助教學(xué)設(shè)計中可以減小設(shè)計工作量［1，2］，并且使課件的深度得到加強(qiáng)，演示各種光學(xué)現(xiàn)象也很容易，從而擴(kuò)大學(xué)生的感性認(rèn)知和視野，增強(qiáng)教學(xué)效果［3，4］.

2 軟件介紹

VirtualLab虛擬仿真實驗系統(tǒng)是一款新一代的光學(xué)建模和設(shè)計軟件系統(tǒng)［5～7］.該實驗系統(tǒng)以麥克斯韋電磁場理論為基礎(chǔ)，以電磁波界面?zhèn)鬏斔枷霝橹笇?dǎo)，運用有限元FEM（Finite Element Method）數(shù)值計算方法和計算機(jī)圖像處理技術(shù)設(shè)計研發(fā)而成.該實驗系統(tǒng)具有統(tǒng)一的光學(xué)建模平臺，通過合適的光傳輸建模技術(shù)來實現(xiàn)光源、光學(xué)元件和探測器的靈活結(jié)合，保證了所有模式光源和通過光學(xué)元件任意傳輸方法的完全兼容性.建立了5大工具箱，適用于不同要求下的光學(xué)建模.

由于該系統(tǒng)運用光的電磁波描述概念和麥克斯韋電磁場理論，達(dá)到了對光的完整描述.在基于該軟件的光學(xué)系統(tǒng)中，包括各個矢量方向的任何位置的振幅、相位和偏振等光場參數(shù)都可以通過探測器測得，能為光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計提供極大的靈活性和準(zhǔn)確性.

3 應(yīng)用舉例

VirtualLab可以用于光學(xué)課程的方面很多.干涉是波動光學(xué)中的一個十分重要的現(xiàn)象，也是教學(xué)的一個主要內(nèi)容［8］.牛頓環(huán)干涉、雙縫干涉、劈尖干涉是干涉內(nèi)容中既經(jīng)典又重要的實驗，對其干涉結(jié)果的分析是非常重要的，也是教學(xué)中訓(xùn)練學(xué)生分析能力和掌握干涉內(nèi)容的一種途徑.光學(xué)仿真軟件形象而準(zhǔn)確地顯示其干涉結(jié)果，動態(tài)地展示干涉實驗條件變化時，對其干涉圖像影響的變化，十分有利于提高教學(xué)效果.

3.1 楊氏雙縫干涉實驗

以楊氏雙縫干涉實驗為例，選取縫寬10nm，兩縫間的距離d＝400μm，光屏離縫的距離l＝10 mm，光源選取波長為532nm的綠色光，最終得到光屏上的圖像如圖1（a）所示.

采用VirtualLab中數(shù)據(jù)采集和處理功能可以得到如圖2，由圖可以清楚地看出，每條亮紋的光強(qiáng)幾乎相同，每兩條亮紋間的距離約為13μm，根據(jù)公式

代入上面的數(shù)據(jù)可以求出亮紋的距離Δx＝13.3 μm，與仿真實驗結(jié)果吻合.繼續(xù)改變兩縫的寬度，Δx不變.

可以發(fā)現(xiàn)仿真圖像準(zhǔn)確地表現(xiàn)了干涉條紋之間的關(guān)系，由此進(jìn)行光干涉的直觀、形象的干涉內(nèi)容教學(xué)，同時還可以通過改變實驗條件了解干涉條紋變化與實驗條件變化之間的動態(tài)關(guān)系，以提高學(xué)生分析問題的能力.

圖1

如圖2分別為虛擬仿真的劈尖干涉、牛頓環(huán)干涉的實驗結(jié)果.

圖2

3.2 光的衍射和泊松亮斑

光的衍射現(xiàn)象是光的波動性的一個重要特征，也是光學(xué)教學(xué)內(nèi)容中的一個重要授課內(nèi)容.其中單縫衍射、圓孔衍射、光柵衍射等是光的衍射中既經(jīng)典又重要的內(nèi)容.

VirtualLab軟件的Data View功能中有幾種彩色觀察方式以供選擇，采用彩色方式可以清晰地看到亮度（振幅、相位等）的變化.圖3（a）是單縫衍射模擬圖像.圖3（b）是單縫衍射強(qiáng)度分布圖.

圖3

由圖4可以看到圓盤衍射在中心處有一個亮點，即泊松亮斑.在真實實驗中很難找到泊松亮斑，利用虛擬仿真實驗可以彌補(bǔ)這方面缺陷.

圖4 圓盤衍射

圖5為VirtualLab軟件模擬仿真的小孔衍射圖像和小孔衍射相位圖.

圖5

圖6

如圖6呈現(xiàn)了光柵衍射現(xiàn)象的仿真實驗結(jié)果.從中可以直觀、準(zhǔn)確、清楚地觀察到衍射側(cè)面光束分布以及光柵衍射的幅值分布和缺級現(xiàn)象.

4 總結(jié)

本文通過幾個VirtualLab軟件設(shè)計實例，可以看出計算機(jī)仿真在光學(xué)教學(xué)及設(shè)計中具有非常重要的作用.將VirtualLab軟件和光學(xué)基本原理教學(xué)有機(jī)地結(jié)合起來，擴(kuò)展了學(xué)生的視野，把學(xué)習(xí)的內(nèi)容放到一個更寬的專業(yè)背景和知識空間中能幫助學(xué)生建立直觀的物理圖像，更好地理解物理概念，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，并且有助于培養(yǎng)學(xué)生積極思考和動手創(chuàng)作的能力，增強(qiáng)了光學(xué)設(shè)計的經(jīng)驗和實踐動手能力.在教學(xué)效率明顯提高的同時，也能增強(qiáng)學(xué)生對理論的理解和提高學(xué)生的分析、解決問題的能力，為今后的進(jìn)一步研究或工作打下基礎(chǔ).這種教學(xué)手段不僅可以使學(xué)生更直觀地理解一些難懂的物理概念，為學(xué)生提供了一個培養(yǎng)創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的平臺.隨著光學(xué)和計算機(jī)技術(shù)兩者日趨發(fā)展和融合，計算機(jī)仿真技術(shù)必然會在光學(xué)教學(xué)過程中發(fā)揮更為有效的作用.

1 楊華軍，劉靜嫻，黃軻琴，等.仿真在光學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用 .實驗科學(xué)與技術(shù)，2007（3）：101～104

2 王亞偉，劉瑩，卜敏.數(shù)字虛擬仿真技術(shù)在大學(xué)物理學(xué)光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用.南通大學(xué)學(xué)報（教育科學(xué)版），2009（1）：83～85

3 甄艷坤，霍漢平.計算機(jī)仿真在光學(xué)課程教學(xué)中的應(yīng)用.電氣電子教學(xué)學(xué)報，2011，22（2）：88～90

4 單增郎杰.虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)實驗系統(tǒng)中的應(yīng)用研究.計算機(jī)教學(xué)與教育信息化，2010（5）：176～178

5 F.Wyrowski，J.Turuen，Local interface techniques in wave-optical engineering，in T.P Jannson（ed），Tribute to Emil Wdf，SPIE Press，379～400，2005

6 F.Wyrowski，Hagen Schimmel，Michael Kuhn，Electomagnetic optical engineering-modelling real light sources，Geman Photonic，2007.2

7 F.Wyrowski，Hagen Schimmel，Electromagnetic optical engineering-shaping light through design ， Geman Photonic ，2007.3

8 錢淑珍，陳芳芳，倪小芳，吳平輝，基于 Matlab的光學(xué)干涉現(xiàn)象仿真.科技視界，2011（23）：23～24