摘 要：波动光学是大学物理课程中的重要组成部分，其中所涉及的光波干涉、衍射等内容是理解高等物理学的基石。计算机数值仿真技术能够以直观形象的方式展示光波传播的过程，其在教学中的应用可以提升教学效果。本文对波动光学教学过程中使用计算机仿真模拟进行了探讨，并使用开源FDTD仿真软件MEEP给出了计算机模拟实例。
　　 关键词：大学物理;波动光学;计算机辅助
　　 一、引言
　　 以波动理论研究光传播现象的波动光学，是大学物理课程的重要组成部分。波动光学教学中所包含的干涉、衍射等重要物理现象还是学习后续高等物理课程如量子力学课程的基础。通过该课程的学习，学生不仅可获得关于波动的知识，还可以提高自身分析问题与解决问题的能力，并为后续的课程学习打下良好的基础。然而，在实际的教学过程中，普遍存在学生反映波动光学难以理解且教师感觉课堂讲授效果不佳的现象。学生很难将该课程核心概念光程差与实际广场分布进行联系，仅限于计算光程差的解析分析根本无法满足学生的认知需要。采取新颖的形象化的教学方法并引入研究型教学手段是提高教学质量与培养学生创新能力的必然途径。
　　 时域有限差分算法，以时间空间离散形式对麦克斯韦方程进行数值计算，已经在电磁波仿真领域得到了广泛的应用，将其作为教学手段引入波动光学教学过程中，将光学问题可视化，不仅能够激发学生的学习兴趣，还可以增强学生使用计算机解决问题的研究能力。无疑，在波动光学教学中引入计算机模拟将带来教学效果的显著提升。
　　 本文对波动光学教学过程中使用计算机仿真模拟进行了实践探讨，并使用开源FDTD仿真软件MEEP给出了针对薄膜干涉现象中増透膜的计算机模拟实例。
　　 二、计算机模拟实践
　　 我们选择使用时域有限差分方法对波动光学理论进行仿真模拟。该方法使用有限差分法数值计算麦克斯韦方程的时域解，其公式简单且适合计算机建模。随着计算机功能日益强大，FDTD已经在计算电磁学各领域得到了广泛应用。该计算方法能够计算出不同时刻空间中的光场分布，是光学过程可视化的理想工具。在波动光学课程的计算机模拟过程中，我们使用由MIT大学材料与工程科学中心的研究小组编写的开源FDTD仿真软件MEEP。该软件支持三维直角坐标系和圆柱坐标系的FDTD并行计算。使用者可以通过脚本语言Scheme设置材料和光源的分布并将计算结果输出为HDF5数据文件。数据经过后期处理后能够给出可视化的光场分布。由于是开源软件，其全部源代码均可以由互联网下载，也能够非常方便在各版本Linux系统中进行安装。MEEP的官方网站还提供了较为详细的使用教程，是大学生学习使用FDTD算法进行模拟运算的理想工具。
　　 波动光学课程的核心教学内容是光的干涉、衍射现象，而教科书中局限于计算光程差的解析分析方法完全不能满足学生对光场演化分布的认知需求。例如：在薄膜干涉教学内容中讲解有关增透膜的教学内容，而对于光场如何通过薄膜的情况，学生一无所知。基于FDTD算法的计算机模拟可以给出不同时刻的完整光场分布，使用该方法对薄膜增透过程进行模拟能够将光穿过薄膜的过程进行形象演示。图1给出了增透膜的FDTD模拟结果。其参数取自波动光学练习题，在折射率为1.6的玻璃上镀一层折射率为1.38的氟化镁薄膜，欲使波长为500nm的绿光透射增强，求解氟化镁薄膜的最小厚度。根据公式增透膜的厚度计算得到。其中是薄膜的折射率，为入射光的频率。可以计算得到，氟化镁的最小厚度。
　　 由图1给出的光场分布可见，在设置了氟化镁薄膜后，反射光场得到了明显的抑制，从而增加了透射率。该模拟配合之前的光程差求解方法，展示了完整的光传播过程。镀膜技术广泛应用于生活的各种光学设备上，理解该技术可以使学生知行合一。
　　 三、结论
　　 在波动光学的教学过程中，使用FDTD算法进行光传播现象的演示，可以激发学生的学习兴趣从而提高教学效果。在实际的教学操作中，可以指定现象由学生模拟。在学生优化模拟并解释运行结果的过程中，不仅有效运用了物理知识而且增加了科研能力。
　　参考文献：
　　李师群.重视物理基础教育，提高高等学校的人才培养质量[J].物理与工程，2013，23（1）：5-14.
　　注：本文得到上海工程技术大学大学生创新项目支持（E1-08
　　00-15-02168）。