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摘 要：从光信息类专业培养高素质复合型人才的要求出发，以培养学生自主创新能力和提高学生素质为核心，将创新教育思路与课程体系和教学方法有机结合。以MATLAB仿真为手段，探讨了新的教学手段和方法在光信息类本科专业课教学中的应用。通过仿真过程和结果能够进一步加深对光信息领域基本概念、理论与方法的理解和应用，使学生能认识和掌握该语言，提高对实际问题建模、仿真和求解的水平，为更深入的科学研究打下扎实的基本功。
关键词：数值计算和模拟 光信息科学与技术 教学方法
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-02
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，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编程效率高、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，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n1=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Matlab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=k0·a·NA。k0是自由空间波数，a是纤芯半径，NA是其数值孔径，V数可用于说明哪些波导模被允许在一个特殊的波导结构中传播，当V满足0 4 结语
利用MATLAB的仿真与计算功能，鼓励学生通过主动思考、自主探索，去研究专业课程中的一些更深入的问题，在掌握理论知识的前提下，让学生建立相应的物理模型和数学模型，然后编写程序，去完成对知识的巩固与拓宽，这是一种自我学习、不断提高的探索过程，也是为学生以后的研究工作奠定基础。同时可以结合专业实验课程，以MATLAB为平台，开发制作光波导和激光等高等光学现象仿真程序，并运用于计算机所支持的课堂教学中，以其作为演示实验配合光学理论的讲授，很好地解决了真实实验因环境限制而不能进入课堂的难题。利用仿真实验的结果指导实际教学，可以将抽象难懂的光学概念和规律直观地展现在学生面前，提升教学效果，突破实验仪器对教学和实验内容扩展和延伸的限制。
参考文献
[1] 胡章芳，罗元.光信息科学与技术专业人才培养模式建设探讨[J].素质教育论坛，2009（4）：1-2.
[2] 刘焕淋，陈勇.MATLAB在数字信号处理实验教学中应用[J].科技创新导报，2010（26）：148.
[3] 吴平辉，付恋恋，蒋记望，等.物理光学实验仿真平台的开发[J].实验室研究与探索，2012（31）：31-33.
[4] 姚晓琼，张存善，韩力英，等.用MATLAB模拟三层平板波导的模式特性[J].光子技术，2006（1）：31-34.
关键词：数值计算和模拟 光信息科学与技术 教学方法
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）01（a）-0-02
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，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编程效率高、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，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n1=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Matlab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=k0·a·NA。k0是自由空间波数，a是纤芯半径，NA是其数值孔径，V数可用于说明哪些波导模被允许在一个特殊的波导结构中传播，当V满足0
利用MATLAB的仿真与计算功能，鼓励学生通过主动思考、自主探索，去研究专业课程中的一些更深入的问题，在掌握理论知识的前提下，让学生建立相应的物理模型和数学模型，然后编写程序，去完成对知识的巩固与拓宽，这是一种自我学习、不断提高的探索过程，也是为学生以后的研究工作奠定基础。同时可以结合专业实验课程，以MATLAB为平台，开发制作光波导和激光等高等光学现象仿真程序，并运用于计算机所支持的课堂教学中，以其作为演示实验配合光学理论的讲授，很好地解决了真实实验因环境限制而不能进入课堂的难题。利用仿真实验的结果指导实际教学，可以将抽象难懂的光学概念和规律直观地展现在学生面前，提升教学效果，突破实验仪器对教学和实验内容扩展和延伸的限制。
参考文献
[1] 胡章芳，罗元.光信息科学与技术专业人才培养模式建设探讨[J].素质教育论坛，2009（4）：1-2.
[2] 刘焕淋，陈勇.MATLAB在数字信号处理实验教学中应用[J].科技创新导报，2010（26）：148.
[3] 吴平辉，付恋恋，蒋记望，等.物理光学实验仿真平台的开发[J].实验室研究与探索，2012（31）：31-33.
[4] 姚晓琼，张存善，韩力英，等.用MATLAB模拟三层平板波导的模式特性[J].光子技术，2006（1）：31-34.