Matlab在光学教学中的应用及学生应用能力的培养

周雷

【摘要】简要论述Matlab数值模拟引入到光学教学的可行性和必要性。以杨氏双缝干涉教学为例，采用Matlab软件作为可视化辅助教学工具进行相关理论模拟。并以此为基础，引导学生研读密切相关的偏振光栅科技文献，开展程序编程，重复并改进科技文献理论模拟计算结果。从而提高学生的学习积极性和学习效率，培养挖掘学生基本科研能力，教学效果明显。

【关键词】Matlab  光学  仿真  教学

【中图分类号】O43-4 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）48-0044-02

1.引言

光学是高校物理及光电专业的一门重要的基础课程，尤其是波动光学部分的杨氏双缝干涉，在理论和实验教学中均占据举足轻重的地位，是光学中最基本最重要的实验之一。然而，现有常规的光学教学不仅仍局限于板书和理论推导，而且严重缺乏对杨氏雙缝干涉后续知识的挖掘，教学效果不是很理想。因此，本文提出，以杨氏双缝衍射教学为具体基本教学案例，采用Matlab软件作为可视化辅助教学工具进行相关理论模拟。并以此为基础，引导学生研读密切相关的偏振光栅科技文献，独立开展程序编程，重复并改进科技文献理论模拟计算结果。

2.杨氏双缝干涉原理

光的干涉和衍射是光学的一个重要问题，是学生学习波动光学必须掌握的基本内容，也是科学研究中经常碰到的基本问题。但是光的干涉和衍射是一个比较抽象的物理概念，学生在学习过程中普通反映难于真正地理解掌握。为此，我们在实际教学过程中选取相对容易的杨氏双缝衍射作为基本教学案例，利用Matlab的可视化编程，来进行学习。

杨氏双缝干涉实验的原理如图1所示，狭缝S1 和S2的距离为d，双缝所在平面与观察屏距离为D，观察屏上O点到两个狭缝的距离相等，当两狭缝发出的单色光到达观察屏时，会发生干涉现象，能看到明暗相间的条纹。观察屏上任一点P的光程差满足：

光程差导致的相位差为：

△？渍=2？仔/？姿     （2）

光波在P点的光强为：

I=4I0cos2（△？渍/2）      （3）

相邻明条纹间距为：

3.仿真模拟分析

根据上述光学原理，同时在循环结构中采用单色光和复色光照明的情况下，编写主程序，通过鼓励学生改变波长，双缝间距、双缝与观察屏距离以及非单色光谱线宽度来观察干涉条纹的变化，增加对理论的理解。

4.拓展提升

在学生掌握了杨氏双缝干涉的内容及编程后，引导学生研读亚波长偏振光栅的科技文献，以3-5人为一个小组，提高学生间相互协作的动手和创新能力。近年来，亚波长纳米光栅结构的光学衍射、散射及异常光学耦合共振等现象受到研究人员的广泛关注。如双层光栅结构，周期P为100 nm， 光栅线宽W为50 nm， 玻璃光栅的槽深h1为80 nm， 金属铝的厚度h2为20 nm。入射光为单色平面自然光波，出射光波变为线偏振光。通过Matlab编程可以得到横电波（TE）波和横磁波（TM）波入射下，观察偏振光栅的光子流动分布情况。通过鼓励引导学生改变周期P， 光栅线宽W， 玻璃光栅的槽深h1， 金属铝的厚度h2来观察不同偏振下光束干涉流动的形貌，增加对理论的理解。激发了学生的学习兴趣，同时培养锻炼了学生的钻研精神。

结束语

本文从基本的杨氏双缝干涉为例，阐述了将Matlab软件引用到光学教学中，使课堂讲授形式更加灵活多样。而且通过课外提升拓展训练，引导学生研读科研文献，开展Matlab程序编程，重复并改进科技文献理论模拟计算结果。不仅使枯燥的光学理论学习变得有趣生动，还锻炼了学生基本科研能力。经过两年的尝试，教学效果明显，所带班级有3名学生发表了光学相关的学术研究论文，且发表论文为SCI收录的权威期刊。