浅谈Rsoft软件在光纤光学教学中的应用

摘要：光学作为理学类专业的一门基础学科，在本科生教育中占有非常重要的地位，近年来光纤光学已被引入了本科及研究生课堂。本文提出了在光纤光学教学中使用Rsoft软件进行仿真分析，结合该软件的使用特点，采用软件仿真的实验教学方式，将光纤传播理论中难懂的理论知识转变为可视化的图像显示，直观的反应光纤传光特点，帮助学生理解和分析，有效提高教学质量和教学效率。 

关键词：Rsoft；仿真；光纤光学 

近年来，光纤技术发展迅速，已广泛应用于通信、生物、化学、医学等各个领域。“光纤光学”是光学专业研究生的专业课，是本科生“高等光学”学科中的主要章节，具体内容涉及了光纤通信、光纤传感、薄膜光学等众多学科，具有内容广泛、理论深厚、知识更新快速、理论与实际紧密联系等特点[1]。 

在教学中我们发现，光纤光学成为高等光学学科中最为难懂的一部分内容，因目前的教科书就这部分内容给出长篇大论的理论推导，学生理解十分困难，从而导致失去学习兴趣，影响教学效果。为解决这一实际问题，我们在实验课程中引入Rsoft软件进行仿真教学，将理论分析结果可视化，通过参数设置帮助学生理解数学模型中各个参量的实际意义，使计算结果生动、直观的展示在学生面前，激发学生独立思考的学习兴趣，提高学生逻辑思维和动手能力。此外，通过该仿真软件的学习，还可帮助研究生在学习理论知识之外掌握基本科学研究的理论学习方法，为研究生从事科研项目奠定基础。 

1.利用Rsoft行光纤传感仿真 

仿真是指利用数学建模的方法，复现实际系统中发生的本质过程，并通过对系统模型的实验来研究存在的或存在设计中的系统。当光纤技术更新换代快，且光纤作为教学耗材价格昂贵又不易操作时，仿真成为一种有效的教学研究手段。 

Rsoft是一款基于先进的有限差分光束传播法的专业软件，高度集成了计算机辅助设计和模拟仿真，集基于光束传播法的光波导设计、基于时域有限差分法的光波导设计、光子晶体分析设计、衍射光学结构器件分析设计和光栅分析设计等于一身。作为一个基于多种数学分析方法的系统模拟器，Rsoft具有强大的模拟环境、真实的器件和相对简单的操作方式。它的性能可以通过matlab软件或其他可编程软件进行扩展，其用户界面简单，且可调参数明显。 

2.仿真实例 

光纤光学主要研究光场在光波导中的传播机理，针对不同光纤的光场分布及传播机理衍生出光纤的实际应用价值，比如应用于传感和通信领域。为了实现光纤中光场分布的研究，光纤传光系统主要由光源和用于传输光场的光波导构成。 

我们利用Rsoft软件中的Beamprop模块通过光束传播法研究光波导的传光原理。用单模光纤和渐变折射率多模光纤错芯对接，单模光纤作为接收光纤接收从光源发出的光，为渐变折射率多模光纤注光。用Beamprop模块创建光路，首先确定背景折射率，在水中有助于光束观察，故背景折射率即为水的折射率；随后创建单模光纤纤芯和包层，分别输入其折射率；最后创建渐变折射率多模光纤结构，其纤芯折射率分布需要输入其分布函数，系统提供高斯函数和离散函数可选择，其他函数需要手动输入。该仿真模型可以是二维的也可以是三维的。图1为该错芯光纤系统的模型图。 

其仿真参数为：入射光波长0.633μm，背景折射率为1.33，单模光纤纤芯直径为8.3μm，折射率为1.4645，包层直径为125μm折射率为1.4613，渐变折射率多模光纤纤芯直径为62.5μm，折射率最大值为1.4807，可选择高斯函数分布，其包层直径为125μm，折射率为1.4627。 

从图中可清晰观察到本该沿直线传播的光纤射出光束出现了拐弯现象，可称之为横线自加速现象。我们使用Rsoft软件中的Fullwave模块计算该弯曲光束的光阱力及光的力学效应，其仿真结果可将该仿真结构与matlab软件联力计算出该系统弯曲光束力学效应的具体数值。其结果表明，该弯曲光束具有光阱或光镊效果，当将微小粒子置于该弯曲光束内，微小粒子会随着弯曲光束运动。 

通过该仿真可直观有效的帮助学生理解光波导的传光原理，并且有趣的光学现象会增强学生的学习兴趣，激发学生的创新思维。 

本文结合光纤光学课程的特点，采用软件仿真的实验教学方法，使得学生在通过仿真软件参数设置研究的同时，加深对书本理论知识的理解，并且通过对光纤传光系统的设计，融会贯通光波导相关理论，使学生对光纤光学的实践应用有了进一步的了解，一方面提高学生的独立思考和实践动手能力，另一方面帮助学生了解前沿科学，开拓思维，激励学生独立创新，充分调动学生的学习热情和自主学习能力，有效提高课堂效率。 

参考文献： 

[1]廖延彪.光纤光学[M].清华大学出版社，2013