Matlab在光信息类本科专业课程教学中的应用-最新教育文档

1、Matlab 在光信息类本科专业课程教学中的应用21 世纪是信息时代，信息技术是目前最活跃、发展最迅速、 与人们生活最密切相关的一个技术领域。该领域知识更新极快， 同时新技术、 新产品层出不穷。 信息技术和信息产业的迅猛发展 促使传统的光学仪器科学向光电信息学科扩展。 目前， 光信息科 学与技术专业的专业基础课及专业课程主要是光学原理、 导波光 学、光电子技术及应用、光纤技术、光信息处理、激光原理等。 这些是信息技术快速发展的基础， 掌握好这些知识对于提高光电 类专业人才具有极其重要的作用 1-3 。然而这些课程在实际教 学中面临着诸多问题，比如理论性与实践性很强，概念抽象、数 学推导很多等等

2、， 导致学生很难透彻的理解所有知识点。 如何让 学生形象地理解抽象的物理概念以及在实际中的应用一直是教 学过程中的难题。我们在教学过程中以信息科学相关内容为基础， 从基本的物 理概念出发， 建立相应的理论模型， 并将其中的光学问题归纳为 特征方程求根、 积分求解、常微分方程求解等几类数值求解问题， 借助MATLAB程效率高、简单易学、人机交互好、可拓展性强 以及强大的数值计算和图形显示功能， 利用编程来完成现代光学 典型问题的模型求解， 通过数据和图形来展示现代光学问题的本 质，将其运用到导波光学的教学中，获得了很好的效果。1 平板波导中的 TE 模平面波导中的导波模可以分解为 TE模和TM模

3、，TE模在光 波传播方向上的电场分量为 0,而TM模则在光传播方向上的磁 场分量为 0。介质平板波导的结构以及建立的坐标系如图（1）所示。其中 n1、n2 和 n3 分别是覆盖层、 导波层和衬底的折射率。 根据波动方程， 导波层内场的形式应是正弦函数与余弦函数的叠 加，而在覆盖层和衬层中场应是指数衰减的形式。 结合磁场分量 方程组的边界条件，可以得到模式本征方程：当n仁n3时对应的结果为对称波导的情况。在导波光学教学学中有一些问题的物理过程并不难建立， 但所得方程求解复杂或 没有解析解， 这一类方程被称为超越方程。 虽然这类问题不能给 出严格的解析解，但可以借助计算机进行数值分析，我们编写 M

4、atlab 程序数值分析了方程（ 1），当 d=0.02 m， f=10e9Hz 时 得到如图2（a）所示的色散关系曲线。同时可以计算出三层平 板光波导内的电场分布，见图 2（b）。通过将 MATLAB 运用到三层平板波导模式理论中， 在计算作 图中发挥了重要作用， 使计算机在经典理论中得到充分应用， 也 使传统光波导理论更加完善，容易理解。2 高斯光束的性质 使用稳定的球面腔的激光器所发出的基模激光将以高斯光 束的形式在空间传播。 高斯光束的传输规律和透镜系统对高斯光 束的变换是激光原理与实际应用中经常遇到的具有实际意义的 问题。高斯光束的解析表达式如下：式中，R(z) , w(z)分别表示z坐标处高斯光束的等相位 面曲率半径及等相位面上的光斑半径。 高斯光束在其轴线附近可 以看做是一种分布均匀的高斯球面波， 在传输过程中曲率中心不 断改变， 其振幅在横截面内为一高斯函数， 强度集中在轴线极其 附近，且等相面保持为球面。 根据高斯光束的性质， 使用 MATLAB 作出束腰半径为 0.5 mm 的高斯光束在束腰处的三位光强分布图 如图 3 所示。3 单模光纤的模场说明光纤波导特性的重要的物理量是光纤的 V数，它表示为 V