摘要：光學(xué)作為理學(xué)類專業(yè)的一門基礎(chǔ)學(xué)科，在本科生教育中占有非常重要的地位，近年來光纖光學(xué)已被引入了本科及研究生課堂。本文提出了在光纖光學(xué)教學(xué)中使用Rsoft軟件進(jìn)行仿真分析，結(jié)合該軟件的使用特點(diǎn)，采用軟件仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，將光纖傳播理論中難懂的理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暬�的圖像顯示，直觀的反應(yīng)光纖傳光特點(diǎn)，幫助學(xué)生理解和分析，有效提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率。 

關(guān)鍵詞：Rsoft；仿真；光纖光學(xué) 

近年來，光纖技術(shù)發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于通信、生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。“光纖光學(xué)”是光學(xué)專業(yè)研究生的專業(yè)課，是本科生“高等光學(xué)”學(xué)科中的主要章節(jié)，具體內(nèi)容涉及了光纖通信、光纖傳感、薄膜光學(xué)等眾多學(xué)科，具有內(nèi)容廣泛、理論深厚、知識(shí)更新快速、理論與實(shí)際緊密聯(lián)系等特點(diǎn)[1]。 

在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，光纖光學(xué)成為高等光學(xué)學(xué)科中最為難懂的一部分內(nèi)容，因目前的教科書就這部分內(nèi)容給出長篇大論的理論推導(dǎo)，學(xué)生理解十分困難，從而導(dǎo)致失去學(xué)習(xí)興趣，影響教學(xué)效果。為解決這一實(shí)際問題，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)課程中引入Rsoft軟件進(jìn)行仿真教學(xué)，將理論分析結(jié)果可視化，通過參數(shù)設(shè)置幫助學(xué)生理解數(shù)學(xué)模型中各個(gè)參量的實(shí)際意義，使計(jì)算結(jié)果生動(dòng)、直觀的展示在學(xué)生面前，激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生邏輯思維和動(dòng)手能力。此外，通過該仿真軟件的學(xué)習(xí)，還可幫助研究生在學(xué)習(xí)理論知識(shí)之外掌握基本科學(xué)研究的理論學(xué)習(xí)方法，為研究生從事科研項(xiàng)目奠定基礎(chǔ)。 

1.利用Rsoft行光纖傳感仿真 

仿真是指利用數(shù)學(xué)建模的方法，復(fù)現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)中發(fā)生的本質(zhì)過程，并通過對(duì)系統(tǒng)模型的實(shí)驗(yàn)來研究存在的或存在設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)。當(dāng)光纖技術(shù)更新?lián)Q代快，且光纖作為教學(xué)耗材價(jià)格昂貴又不易操作時(shí)，仿真成為一種有效的教學(xué)研究手段。 

Rsoft是一款基于先進(jìn)的有限差分光束傳播法的專業(yè)軟件，高度集成了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和模擬仿真，集基于光束傳播法的光波導(dǎo)設(shè)計(jì)、基于時(shí)域有限差分法的光波導(dǎo)設(shè)計(jì)、光子晶體分析設(shè)計(jì)、衍射光學(xué)結(jié)構(gòu)器件分析設(shè)計(jì)和光柵分析設(shè)計(jì)等于一身。作為一個(gè)基于多種數(shù)學(xué)分析方法的系統(tǒng)模擬器，Rsoft具有強(qiáng)大的模擬環(huán)境、真實(shí)的器件和相對(duì)簡單的操作方式。它的性能可以通過matlab軟件或其他可編程軟件進(jìn)行擴(kuò)展，其用戶界面簡單，且可調(diào)參數(shù)明顯。 

2.仿真實(shí)例 

光纖光學(xué)主要研究光場在光波導(dǎo)中的傳播機(jī)理，針對(duì)不同光纖的光場分布及傳播機(jī)理衍生出光纖的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，比如應(yīng)用于傳感和通信領(lǐng)域。為了實(shí)現(xiàn)光纖中光場分布的研究，光纖傳光系統(tǒng)主要由光源和用于傳輸光場的光波導(dǎo)構(gòu)成。 

我們利用Rsoft軟件中的Beamprop模塊通過光束傳播法研究光波導(dǎo)的傳光原理。用單模光纖和漸變折射率多模光纖錯(cuò)芯對(duì)接，單模光纖作為接收光纖接收從光源發(fā)出的光，為漸變折射率多模光纖注光。用Beamprop模塊創(chuàng)建光路，首先確定背景折射率，在水中有助于光束觀察，故背景折射率即為水的折射率；隨后創(chuàng)建單模光纖纖芯和包層，分別輸入其折射率；最后創(chuàng)建漸變折射率多模光纖結(jié)構(gòu)，其纖芯折射率分布需要輸入其分布函數(shù)，系統(tǒng)提供高斯函數(shù)和離散函數(shù)可選擇，其他函數(shù)需要手動(dòng)輸入。該仿真模型可以是二維的也可以是三維的。圖1為該錯(cuò)芯光纖系統(tǒng)的模型圖。 

其仿真參數(shù)為：入射光波長0.633μm，背景折射率為1.33，單模光纖纖芯直徑為8.3μm，折射率為1.4645，包層直徑為125μm折射率為1.4613，漸變折射率多模光纖纖芯直徑為62.5μm，折射率最大值為1.4807，可選擇高斯函數(shù)分布，其包層直徑為125μm，折射率為1.4627。 

從圖中可清晰觀察到本該沿直線傳播的光纖射出光束出現(xiàn)了拐彎現(xiàn)象，可稱之為橫線自加速現(xiàn)象。我們使用Rsoft軟件中的Fullwave模塊計(jì)算該彎曲光束的光阱力及光的力學(xué)效應(yīng)，其仿真結(jié)果可將該仿真結(jié)構(gòu)與matlab軟件聯(lián)力計(jì)算出該系統(tǒng)彎曲光束力學(xué)效應(yīng)的具體數(shù)值。其結(jié)果表明，該彎曲光束具有光阱或光鑷效果，當(dāng)將微小粒子置于該彎曲光束內(nèi)，微小粒子會(huì)隨著彎曲光束運(yùn)動(dòng)。 

通過該仿真可直觀有效的幫助學(xué)生理解光波導(dǎo)的傳光原理，并且有趣的光學(xué)現(xiàn)象會(huì)增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維。 

本文結(jié)合光纖光學(xué)課程的特點(diǎn)，采用軟件仿真的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，使得學(xué)生在通過仿真軟件參數(shù)設(shè)置研究的同時(shí)，加深對(duì)書本理論知識(shí)的理解，并且通過對(duì)光纖傳光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，融會(huì)貫通光波導(dǎo)相關(guān)理論，使學(xué)生對(duì)光纖光學(xué)的實(shí)踐應(yīng)用有了進(jìn)一步的了解，一方面提高學(xué)生的獨(dú)立思考和實(shí)踐動(dòng)手能力，另一方面幫助學(xué)生了解前沿科學(xué)，開拓思維，激勵(lì)學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力，有效提高課堂效率。 

參考文獻(xiàn)： 

[1]廖延彪.光纖光學(xué)[M].清華大學(xué)出版社，2013