光學(xué)是主要研究光本性、光傳輸以及光與物質(zhì)相互作用的基礎(chǔ)學(xué)科。本文將Zemax等虛擬仿真軟件引入到光學(xué)課程教學(xué)過(guò)程中,可以讓學(xué)生對(duì)光學(xué)理論知識(shí)和光學(xué)系統(tǒng)有更加形象的理解。利用Zemax模擬透鏡像差和利用Comsol分析透鏡在高功率光束輻照下的溫度分布和形變分布的教學(xué)實(shí)例,并依據(jù)目前存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)措施。實(shí)踐表明:使用仿真軟件輔助教學(xué)有助于學(xué)生理解光學(xué)基本概念、基本理論和重難點(diǎn),拓展學(xué)生創(chuàng)新思維。仿真軟件給出的直觀效果可有效地增加學(xué)生對(duì)光學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)興趣,使得課堂教學(xué)變得更加生動(dòng)形象,提高光學(xué)教學(xué)質(zhì)量。 

【文章來(lái)源】：教育現(xiàn)代化. 2020,7(49)

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【部分圖文】：

平凸透鏡的球差

課堂講授是教育活動(dòng)的主陣地,教師在授課時(shí)容易忽視學(xué)生的主體地位,尤其是在理論內(nèi)容較多的基礎(chǔ)課程中。西華大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)光學(xué)教學(xué)選用教材為姚啟鈞原著的《光學(xué)教程》第五版。在第三章幾何光學(xué)部分涉及大量物像公式,球面反射、球面透射、球面透鏡、非球面透鏡、雙凸透鏡、平凸透鏡、雙凹透鏡等,學(xué)生在理論學(xué)習(xí)的過(guò)程中,對(duì)公式的推導(dǎo)以及參數(shù)(折射率、半徑、物距等)對(duì)成像性質(zhì)的影響規(guī)律和影響權(quán)重的理解不夠深刻,對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的像差(色差、球差、彗差、像散和畸變等)概念以及原因亦是一知半解。為解決這一問(wèn)題,筆者在幾何光學(xué)的講授過(guò)程中,引入了Zemax光學(xué)仿真軟件輔助教學(xué)。Zemax是一種可設(shè)計(jì)、優(yōu)化和分析光學(xué)系統(tǒng)的仿真軟件,功能強(qiáng)大,靈活方便,新手入門(mén)快。例如,針對(duì)由兩個(gè)球面組成的透鏡,其焦距可由公式f=R10R20/[(n-1)(R20-R10)]確定,其中R10、R20和n分別表示兩個(gè)球面的曲率半徑和透鏡材料的折射率。從理論公式可見(jiàn),學(xué)生能感知透鏡的焦距與其形狀和材料有直接關(guān)系。但是,形狀和材料具體是如何影響透鏡焦距呢?光束通過(guò)不同透鏡其傳輸路徑有何變化呢?理論公式無(wú)法回答這些問(wèn)題�；诖�,在課堂上向?qū)W生介紹和展示了Zemax軟件,方便快捷地輸入幾個(gè)透鏡參數(shù),則可實(shí)現(xiàn)透鏡的三維建模和光束軌跡分析。圖1和圖2是學(xué)生課后計(jì)算反饋的結(jié)果。圖1為平凸透鏡的三維顯示圖,Zemax參數(shù)編輯框中可以設(shè)定透鏡球面曲率半徑、厚度和透鏡材料等參數(shù)。通過(guò)改變透鏡形狀或材料等參數(shù)設(shè)置,學(xué)生可以直觀地感受到透鏡參數(shù)變化給光束傳輸施加的影響,這種直觀感受是基于課本的理論教學(xué)和實(shí)驗(yàn)室的實(shí)踐教學(xué)均難以做到的。圖2給出了平凸透鏡的球差,外圈藍(lán)光大,紅光和綠光較集中,該圖帶給學(xué)生藍(lán)光球差大的直觀感受,對(duì)學(xué)生今后從事鏡頭設(shè)計(jì)或照明設(shè)計(jì)等工作有直接指導(dǎo)作用。此外,學(xué)生可以使用Zemax實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、建模、分析和其他輔助功能,幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和熟悉典型光學(xué)儀器的原理和結(jié)構(gòu),提升學(xué)生用光學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際工程問(wèn)題的能力。將Zemax仿真實(shí)驗(yàn)引入光學(xué)課程教學(xué),不僅可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像的理解,還訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的建模分析能力。由于仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響,所以仿真軟件輔助光學(xué)教學(xué)可以在大學(xué)課堂中有效實(shí)行。圖2 平凸透鏡的球差

值得指出的是,光學(xué)是西華大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)專(zhuān)業(yè)本科生第三學(xué)期開(kāi)設(shè)的必修基礎(chǔ)課,而在第二學(xué)期,學(xué)生剛剛結(jié)束熱力學(xué)學(xué)習(xí)。因此,在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,不少學(xué)生提出,現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)涉及的許多激光器的功率能達(dá)到千瓦級(jí)別,光學(xué)元件在高功率光束連續(xù)輻照下,光學(xué)元件內(nèi)部的熱沉積致使元件畸變,影響光束傳輸。為解決這個(gè)問(wèn)題,筆者向?qū)W生介紹Ansys有限元分析軟件和Comsol多物理場(chǎng)仿真軟件均可以完成透鏡形變?cè)O(shè)計(jì),并課下引導(dǎo)學(xué)生利用Comsol模擬了高功率激光輻射下透鏡的熱形變。結(jié)合熱傳導(dǎo)機(jī)理,采用Comsol建立透鏡的有限元模型。若入射激光束的光強(qiáng)分布為I(x,y),A為膜層吸收系數(shù),熱源可表示為Q(x,y)=AI(x,y)。圖3為學(xué)生利用Comsol模擬的透鏡溫度分布和熱形變分布。通過(guò)仿真性實(shí)驗(yàn),學(xué)生明白了透鏡的熱形變與透鏡材料的熱物理性質(zhì)參數(shù)(密度、導(dǎo)熱系數(shù)、熱膨脹系數(shù)等)和入射光束參數(shù)(光強(qiáng)分布等)密切相關(guān)。學(xué)生自主地將第二學(xué)期學(xué)習(xí)的熱力學(xué)知識(shí)和本學(xué)期的光學(xué)知識(shí)聯(lián)系起來(lái),有效實(shí)現(xiàn)知識(shí)重構(gòu),提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)素養(yǎng),促進(jìn)校園教學(xué)和企業(yè)應(yīng)用技能的高效銜接,學(xué)生在將來(lái)就業(yè)時(shí)更容易融入相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。將以上兩個(gè)教學(xué)實(shí)例與傳統(tǒng)光學(xué)課堂比較可以發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)光學(xué)實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)設(shè)備往往價(jià)格很高,配置一套實(shí)驗(yàn)裝置需要一筆較大的經(jīng)費(fèi),而在經(jīng)費(fèi)并不充裕的情況下,采用仿真軟件輔助教學(xué)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。此外,在涉及激光的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,往往需要學(xué)生反復(fù)觀察測(cè)試某一參數(shù),而激光具有一定的危險(xiǎn)性。如果采用光學(xué)仿真軟件,則能有效保障學(xué)生的人身安全。學(xué)生不僅可以個(gè)性化設(shè)計(jì)自己的光學(xué)系統(tǒng),還能實(shí)時(shí)預(yù)估光學(xué)系統(tǒng)性能,這種與軟件“動(dòng)態(tài)溝通”能極大地促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。

【參考文獻(xiàn)】：
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