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
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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