电磁场理论与光波导技术

电磁场理论与光波导技术ElectricalMagneticFieldTheoryandOpticalwaveguidetechnology一、课程的性质和目的课程性质：电磁场理论与光波导技术是光电工程学院面向光电信息科学与工程专业开设的一门重要的学科基础课，属于本专业核心基础课程，是光电后继课程的重要基础；对后面学习物理光学，光纤，激光，光器件等领域的课程非常重要。目的：本课程的任务是介绍宏观电磁现象的基本规律及理论，并以麦克斯韦方程为基础分析了电磁波在不同煤质中的传输特性。通过本门课程的学习可以使学生掌握分析电磁场的基本方法，理解电磁波的基本性质，能够运用基本的电磁理论来初步掌握平板与圆柱光波导的基本性质，了解基本的光波导技术物理原理；为学生学习光电其它课程打下深厚的理论基础。二、课程教学内容及基本要求本课程是光电信息科学与工程专业中一门核心基础课程，为本专业学生以后学习光电相关课程打下坚实的理论基础。本课程教学的主要任务：理论课的教学以麦克斯韦方程为核心，全面介绍电磁场基本原理，电磁波传播原理及光波导技术，具体包括：场论基础，静电场，静磁场，电流场，边值问题，电磁波传播，光波导基本原理等，并将以电磁场理论为基础的光电领域应用贯穿其中，使学生有良好的光电专业理论背景。同时结合光通信，光器件领域的专业特色，合理设置上机实验帮助学生学习光波导原理，理解无源光器件的物理基础，使学生接触了解基于电磁场理论的无源光器件分析设计原理。通过学习本课程，学生应达到：深入理解电磁场与光波导的基本原理，对具体问题进行电磁场建模分析，理解波动光学，光波导技术等光电课程与电磁场的关系，使用基本的电磁场数值软件建模分析相关器件的能力。（一）课程教学内容及知识模块顺序1．知识单元一：静电场（6学时）（1）知识点一：场论（2）知识点二：真空中的静电场（3）知识点三：电介质的极化及介质中的静电场（4）知识点四：静电场的基本性质（5）知识点五：位函数与泊松方程教学基本要求：掌握各基本电场强度，电位等物理量的基本概念及其计算公式，理解电介质的极化过程，电偶极子，极化强度矢量，电位移矢量的基本概念。掌握静电场性质与基本方程，深刻理解电偶极子产生的场方程，电介质的极化过程及电介质当中的场方程。2．知识单元二：恒定电流场与静磁场:（6学时）（1）知识点一：恒定电流场（2）知识点二：静磁场（3）知识点三：磁偶极子与物质的磁化（4）知识点四：矢量磁位与磁介质中的场方程教学基本要求：掌握矢量磁位，磁偶极子，磁化强度矢量，磁场强度等基本感念以及恒定磁场的基本方程与边界条件。理解介质磁化的物理过程，掌握磁场的基本方程及矢量磁位所满足的微分方程，并会利用安培环路定律求解恒定磁场的分布问题。课程编号：B0402221S学分：3开课学院：光电工程学院学时：48课程类别：学科基础课课程性质：必修3．知识单元三：静态场的边值问题:（6学时）（1）知识点一：介质分界面上的边界条件（2）知识点二：边值问题形式与唯一性定理（3）知识点三：导体平面与导体圆柱的镜像法（4）知识点四：直角坐标系与圆柱坐标系下的分离变量法教学基本要求：掌握静态场中介质分界面上的边界条件，深刻理解唯一性定理的内容及意义。熟练掌握镜像法，分离变量法等求解静电场边值问题的解析方法。4．知识单元四：时变电磁场:（6学时）（1）知识点一：麦克斯韦方程组（2）知识点二：坡印廷定理电磁能量（3）知识点三：复振幅与复数形式的麦克斯韦方程组（4）知识点四：时谐场的坡印廷定理教学基本要求：掌握位移电流，坡印廷矢量，时变电磁场中位函数等基本感念；深刻理解电磁感应定律，全电流定律及坡印亭定理的内容与意义。掌握麦克斯韦方程组与时变电磁场的边界条件，并会导出波动方程。5．知识单元五：平面电磁波:（6学时）（1）知识点一：无界理想均匀煤质中平面波的传播（2）知识点二：电磁波的极化（3）知识点三：电磁波的色散与群速度（4）知识点四：电磁波在媒质交界面上的反射和折射教学基本要求：掌握波动方程及其解的形式，均匀平面波的复数表示式。熟练掌握均匀平面波在理想介质及有耗介质中的传播特性及参量，并掌握相速度与群速度概念及计算方法。6．知识单元六：导行电磁波:（6学时）（1）知识点一：导行电磁波一般分析方法（2）知识点二：矩形波导中的TE与TM波（3）知识点三：矩形波导中基模的传输特性（4）知识点四：圆柱形波导教学基本要求：要求理解导行电磁波一般分析方法。掌握矩形波导中模式的概念，截止常数与传播常数的计算，基模的场分布与矩形波导中单模传输条件。掌握圆柱形波导中的基模场分布与单模传输条件。7．知识单元七：光波导技术基础:（6学时）（1）知识点一：介质平板波导（2）知识点二：阶跃折射率光纤的模式理论（3）知识点三：单模光纤教学基本要求：理解介质平板波导中模式的概念，模式场纵向分量与横向分量之间的关系，以及模式的分类；掌握平面光波导中模式的截止条件、单模传输及远离截止频率的情形。理解阶跃光纤中导波模的特征方程，掌握导波模的截止参数，单模传输条件以及原远离截止状态时导波模的性质，了解单模光纤的基本性质。（二）课程的重点、难点及解决办法重点：本课程的重点主要包括场论的基本数学处理方法、静电场和静磁场如何引入，推广，描述方法、麦克斯韦方程组、边界问题、时变电磁场和电磁波、受约束的电磁波、光波导基础等；其中深入理解麦克斯韦方程组，熟练掌握其推导方法非常重要，是整个课程的理论基础；理解电磁波的传播模型，解决问题的方法等对于后面学习物理光学，微波技术或者光器件非常重要，特别是学光电的学生，电磁波传播模型是经典光学理论的基本原理，费马原理和波动光学皆由其推导出来。难点：本课程的难点主要是物理原理的深入理解，数学工具的熟练掌握。大部分学生数学能力不足，微积分和向量代数不熟练，以至于无法解决问题；很多学生只是表面记忆公式，对于电磁场理论的来源，推导方法，缺乏深刻理解，导致了无法针对实际问题建立电磁场模型求解；表面上看，电磁场公式错综复杂，学生没有从基本原理入手推导，所以对于大量公式难于记忆和应用。解决办法：在讲电磁场理论前要帮助学生复习高等数学，特别是多元微积分和向量代数内容。把场论的基本原理讲清楚，学生在此内容多做点题。围绕麦克斯韦方程把电磁场理论体系的来龙去脉讲清楚，这样学生能够建立一个整体物理图像，让学生能够自己推导出麦克斯韦方程。结合实际问题，帮助学生掌握电磁场理论建模方法，督促学生自己通过阅读尝试着完成问题，杜绝抄袭现象，只有这样学生的解题能力才能得到发展。激发学生的形象思维能力，帮助学生使用物理图像来思考电磁场模型，这样让学生深入理解，激发兴趣。三、实验实践环节及基本要求1．实验实践教学环节在本课程中的作用及要求（实验教学大纲单独编写）本课程包括光波导技术，对于光电子器件，集成光学，光纤设计等方向的学生，能够使用相应的光波导分析软件极为重要。学生通过上机实验能够更好的理解光波导技术的数值计算方法，能够利用相关计算光子学的工具分析设计简单的集成光学器件和光纤。学生至少要理解常规BPM（光束传播法），FDTD（时域有限差分法），传输矩阵法等计算光子学方法。2．实验项目(具体要求见实验教学大纲)实验一：简单二维光波导分析与研究（1学时）实验二：多层结构光波导分析与研究（1学时）实验三：波导模式分析（1学时）实验四：单模光纤设计和特性研究（1学时）实验五：色散位移光纤设计和分析（1学时）实验六：色散平坦光纤分析与设计（1学时）四、本课程与其它课程的联系与分工本课程的先修课程包括高等数学与大学物理，通过本课程的学习可以为后续课程《物理光学》，《激光原理》，《光纤通信原理与系统》及《光纤传输技术》打下基础。五、对学生能力培养的要求通过本课程的学习，使学生在大学物理的基础上，具有基于场论分析电磁现象的能力，具有采用宏观电磁理论分析电磁波与光波性质和传输特征的能力，提高其逻辑思维能力。六、课程学时分配总学时48，其中讲课42学时，上机6学时，实验0学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表。课程学时分配表教学环节时数课程内容讲课上机实验课外小计静电场66恒定电流场与静磁场66静态场的边值问题66时变电磁场66平面电磁波66导行电磁波66光波导技术基础6612总计42648七、建议教材和教学参考书目1．教材王家礼，朱满座，路宏敏．《电磁场与电磁波》．西安电子科技大学出版社，20092．主要参考书[1]钟顺时，钮茂德．《电磁场理论基础》．西安电子科技大学出版社，1995年[2]杨显清，赵家升，王园．《电磁场与电磁波》．国防工业出版社，2003年[3]李玉权，崔敏编．《光波导理论与技术》．人民邮电出版社，2002年[4]吴重庆．《光波导理论（第2版）》．清华大学出版社，2006年八、课程考核本课程建议采用闭卷的考核方式，试卷成绩占70％，上机20%，平时成绩10%，从作业、上课出勤率、实验等几方面进行考核。。九、说明该课程为本专业核心课程，对学生数学要求比较高，建议学生要复习下高等数学，特别是多元微积分和向量代数；上机软件中学习材料都是英文的，学生要加强专业英语的学习和提高。执笔人：倪新建审核人：潘世辉教学院长：李培丽