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超穎表面元件簡介 - 基礎原理與數值模擬 - 光電系二年級 顏堃瑋

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課程名稱►超穎表面元件簡介 - 基礎原理與數值模擬      授課教師►光電系 吳品頡老師

心得分享者►光電系二年級 顏堃瑋


前言
我個人很喜歡上模組化課程,因為可以打發枯燥的寒暑假又可以學習新知,一舉兩得。目前上過七門模組化課程,因為寒暑假期間沒有學期間那些課業的束縛,總是可以很愜意的享受學習之樂。
 
修課動機
主要有兩個原因,其一,在學期中修習「光電科技概論」課程時,有一組同學期末報告的主題就是超穎表面,聽完後對該領域感到興趣想要再多了解。其二,我們系大三需要進行專題研究,我想要透過這個機會去認識系上不同的老師。剛好今年寒假系上吳品頡老師又開了這門課,因此來選修。
 
授課老師與授課方式
吳老師雖然才進入學校任教三年,但是學術表現十分優秀。h-index已經高達35,也被評選進入2020年度科學影響力排行榜全球前2%頂尖科學家。在這麼優秀的學術表現背後,也代表吳老師的研究領域,也就是這一門課的主題,超穎表面,目前是非常熱門的一個領域。
超穎表面由次波長結構組成,能夠在微小的尺度下進行光操控,改變電磁波的振幅、相位等特性,因此對於光學元件的發展上具有極大潛力。
吳老師上課透過投影片搭配板書詳細講解不同概念,比較偏重理論解說。投影片上複雜的數學公式是用來輔助觀念的建構,老師不會去推導公式。老師也很願意在下課後與同學討論問題,如果對於課程內容有問題可以下課後去找老師釐清。比如上課時我糾結於一個地方:因為超穎材料的折射率小於1,造成速度v=c/n,超過光速,違反相對論。下課後請教老師之後才了解:超過光速的是相速度,但是相位改變不影響物質的傳遞,因此群速度依舊小於光速,沒有違反相對論。
每天上課主要分成兩個階段進行。十一點之前是理論講解。內容圍繞著電磁學和光學的基礎,但老師都會從頭開始解釋,並未預設同學要有相關的背景。因此不同領域的同學並不會因為背景知識不足而有所阻礙,事實上許多不同科系的同學也都能考出不錯的成績。十一點之後老師會帶我們進行CST模擬軟體的操作。CST是一種電磁模擬軟體,能夠快速準確分析不同物質的光學特性。吳老師會從頭帶操作CST的過程,循序漸進,基本上不太需要有coding的基礎。剛開始一步一步要同學跟著做,後來在同學逐漸熟悉CST程式之後,就會出題目讓學生獨力完成。在操作CST的過程中也會有多位助教從旁協助,避免有同學跟不上。運用CST能經由參數的設定來模擬出材料的各種特性。
例如我們可以設定出一個奈米尺度塊材,使用CST模擬出特定波長區間y偏振的反射光譜、圓偏振(右旋、左旋)的反射光譜。也可以透過塊材角度的改變模擬相位偏移。模擬的過程中包括相位、偏振等概念全部都建構在每天十一點之前的理論課程上,彼此相得益彰。
 
評分方式
考試在課程的最後一天進行,分成筆試和上機測驗。筆試的部分配了36分的是非題、30分的選擇題、34分的問答題。本堂課考試目的不是要考倒同學,而是驗收同學對於課程之吸收程度,所以考試題目不會太過刁難。只要上課有認真聽講,基本上可以掌握不少分數。上機測驗在驗收同學對於CST程式的掌握程度,但考量同學才接觸CST沒多久,因此很人性的讓同學可以有兩次找助教求救的機會,這樣就不會因為一個地方卡關就寫不下去,最後許多同學都能夠順利完成模擬。
 
心得
短短一週的課程,讓我很有效率學習到許多超穎表面元件相關的知識。從基礎電磁理論,延伸到相關應用,因此這一門課的學習範疇非常廣。吳老師設計課程,從淺入深,理論與數值模擬相輔相成,課程的深度也非常足夠,讓我可以學習到超穎表面上的整套脈絡。
雖然我已經在上學期學過電磁學和光學,但是課程中老師所講授在超穎表面上所應用到的內容,都是在下學期我還沒學到的部分,包括光學上的偏振,電磁學上實數場與虛數場的轉換,還有一些電磁學最後面共振腔、天線。因此儘管我是光電系的學生,但沒有佔太大優勢,因為大部分的理論也都是我沒有學過的,因此這一門課適合各種不同背景的同學來修課。在課程的授課內容裡,有許多篇幅涉及相位的調控,數學上相當複雜,但觀念的理解相對容易,不會有太大負擔。
最初覺得CST程式模擬非常複雜,只是做一個模擬居然需要設定一堆條件,如果其中有一個疏忽可能就無法順利完成數值模擬。但是經過密集的演練,也能夠在考試時順利寫完全部題目,這也發揮了模組化課程的優勢。因為模組化課程是在短時間密集授課,因此可以讓學生快速熟悉原本完全沒有見過的CST程式。修完這門課之後覺得CST非常適合沒有什麼程式基礎的研究人員使用,因為CST操作介面非常容易上手,而且不需要寫code,所以只要熟悉之後即可輕易地進行空間配置、選擇適當單位、輕易求出參數。我一開始帶著惶恐前來挑戰這一門課程,最後帶著自信回去,實在感到踏實。
 
關鍵字 #成大模組化 #跨領域 #超穎表面 #數值模擬 #CST

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