DB004312-现代光子学基础与热点应用

研究生课程开设申请表

开课院（系、所）：       

课程申请开设类型： 新开R重开□     更名□（请在□内打勾，下同）

一、课程介绍（含教学目标、教学要求等）（300字以内）

21世纪被众多学者称为是光子时代。在未来高度信息化的社会里，光子学具备了巨大的技术应用前景。本课程的教学目的，是使学生在学习电磁场与电磁波、大学物理（电磁学）等课程的基础上，对现代光子学基本理论及相关热点应用场景进行认知和理解，为从事相关方向的工作和科研打下必要的基础。本课程将通过讲授和研讨并重的方式，引导和鼓励学生发挥主动性了解并掌握现代光子学各主要分支的基本理论和分析方法。课程内容包括：光子与电子、介质中光传播的基本理论及分析方法、光纤技术与应用、表面等离子体激元学、变换光学、信息光学等。进一步，在教学和研讨过程中，将从现代光子学的前沿应用场景出发，通过案例和讨论方式进行爱国主义、社会责任、科技使命等内涵的传递教育。

二、教学大纲（含章节目录）：（可附页）

见附页

三、教学周历

注：1.以上一、二、三项内容将作为中文教学大纲，在研究生院中文网页上公布，四、五内容将保存在研究生院。2.开课学期为：春季、秋季或春秋季。3.授课语言为：汉语、英语或双语教学。4.适用学科范围为：公共，一级，二级，三级。5.实践环节为：实验、调研、研究报告等。6.教学方式为：讲课、讨论、实验等。7.学位课程考试必须是笔试。8.课件地址指在网络上已经有的课程课件地址。9.主讲教师简介主要为基本信息（出生年月、性别、学历学位、专业职称等）、研究方向、教学与科研成果，以100至500字为宜。

四、主讲教师简介：

张婧婧，东南大学信息科学与工程学院教授、博导。2004年毕业于浙江大学取得电子信息工程专业学士学位。2009年于浙江大学取得电子科学与技术专业博士学位。博士毕业后先后在丹麦科技大学、英国伦敦国王学院、新加坡南洋理工大学从事科研及教学工作，并于2017年加入东南大学。主要从事人工电磁超材料、变换光学、表面等离激元等方向的研究。

五、任课教师信息（包括主讲教师）：

六、课程开设审批意见

说明：1．研究生课程重开、更名申请也采用此表。表格下载：http:/seugs.seu.edu.cn/down/1.asp

2．此表一式三份，交研究生院、院（系）和自留各一份，同时提交电子文档交研究生院。

“现代光子学基础与热点应用”课程教学大纲

1. 课程基本信息

   课程代码
   课程名称	现代光子学基础与热点应用（Fundamentals and Applications of Modern Photonics）
   学分/学时	2学分/32学时
   学时分配	课堂教学学时：32；实验学时：0；上机学时：0；课外学时：0
   课程类别	研究生专业选修课，中文
   开课学期	秋季学期
   开课单位	信息科学与工程学院
   适用专业	电子科学与技术
   教学语言	PPT英文，课堂讲解、讨论，板书均为中文/英文，研学报告为中文，科技论文为英文
   先修课程	电磁场与微波、大学物理（电磁学）
   后续课程
   课程简介	21世纪被众多学者称为是光子时代。在未来高度信息化的社会里，光子学具备了巨大的技术应用前景。本课程的教学目的，是使学生在学习电磁场与电磁波、大学物理（电磁学）等课程的基础上，对现代光子学基本理论及相关热点应用场景进行认知和理解，为从事相关方向的工作和科研打下必要的基础。本课程将通过讲授和研讨并重的方式，引导和鼓励学生发挥主动性了解并掌握现代光子学各主要分支的基本理论和分析方法。课程内容包括：光子与电子、介质中光传播的基本理论及分析方法、光纤技术与应用、表面等离子体激元学、变换光学、信息光学等。进一步，在教学和研讨过程中，将从现代光子学的前沿应用场景出发，通过案例和讨论方式进行爱国主义、社会责任、科技使命等内涵的传递教育。

2. 课程目标

本课程的课程目标为通过讲授光子与电子、介质中光传播的基本理论及分析方法、光纤技术与应用、表面等离子体激元学、变换光学、信息光学等知识，让研究生对现代光子学基本理论及相关热点应用场景进行认知和理解，为相关的工作和科研打下必要的基础。具体课程目标可分为：

1.结合前期课程中对光学和光子学的认识，初步了解现代光子学的研究方向、研究内容以及最新热点应用；

2.从几何光学和波动光学两个角度引导讨论，掌握介质中光传播的基本分析方法；

3.了解光纤的基本原理和性质。通过文献调研等方式了解光纤的应用场景及性能指标；

4.了解等离子体、表面等离激元，以及人工表面等离激元超材料的概念及物理意义。通过文献调研等方式探讨其在光电器件、生化传感、医学成像等领域中的应用。理解人工表面等离激元器件的基本设计思路；

5.了解变换光学这一新兴的理论工具，理解坐标变换数学方法与电磁学相结合的设计方法。通过展示若干应用场景，展示该现代光子学新兴方向的强大生命力；

6.了解并掌握一定的科学研究的方法，专业信息的检索方法以及书面、口头交流科技内容的原则和技巧；

7.能开展科学研讨、文献阅读和综述、科技报告和论文撰写与准备等工作。

8.开展“渗透式教育”：结合专业特点将科研新成果和新技术引入课堂教学，通过关键环节的案例设计和研讨互动，引导学生了解现代光子学发展前沿，初步认识到国内在光子学各个前沿领域的成绩和短板。通过潜移默化方式培养学生的爱国主义、社会责任、科技使命和工匠精神，鼓励他们投身先进技术和重点岗位，为自主可控的技术发展和技术突破贡献力量。这也构成了本课程的思政内涵。

3. 课程支撑的毕业要求指标点

本课程支撑信息工程专业毕业要求中的如下指标点：

 指标点1.1：掌握数学与自然科学基础知识，领会重要数学、物理思想方法；

指标点2.3：能够应用工程基础和专业基础基本原理，研究分析信息工程领域复杂工程问题，获得有效结论；

 指标点5.1：能够通过计算机网络等途径查询、检索信息工程专业文献及资料；

指标点6.2：认知和理解国际国内形势的发展趋势；

指标点10.2：能够就信息工程领域复杂工程问题进行表达交流，包括陈述发言、清晰表达或回应指令。

4. 课程目标与课程支撑的指标点的对应关系

   序号	课程目标	课程支撑的指标点
   1	从几何光学和波动光学两个角度引导讨论，掌握介质中光传播的基本分析方法。	指标点1.1：掌握数学与自然科学基础知识，领会重要数学、物理思想方法
   2	了解并掌握一定的科学研究的方法，专业信息的检索方法以及书面、口头交流科技内容的原则和技巧。	指标点10.2：能够就信息工程领域复杂工程问题进行表达交流，包括陈述发言、清晰表达或回应指令；
   3	将信息工程领域遇到的问题分解、梳理并进行合理评价。能够将多学科知识和理论融汇，灵活应用相关学科知识内容，提升对现代光子学前沿应用的理解和思考，拓展相关分析方法和能力。	指标点2.3：能够应用工程基础和专业基础基本原理，研究分析信息工程领域复杂工程问题，获得有效结论
   4	能够开展科学研讨、文献阅读和综述、科技报告和论文撰写与准备等工作。	指标点5.1：能够通过计算机网络等途径查询、检索信息工程专业文献及资料； 指标点6.2：认知和理解国际国内形势的发展趋势 指标点：思政教学
   5	开展“渗透式教育”：结合专业特点将科研新成果和新技术引入课堂教学，通过关键环节的案例设计和研讨互动，引导学生了解现代光子学发展前沿，初步认识到国内在光子学各个前沿领域的成绩和短板。通过潜移默化方式培养学生的爱国主义、社会责任、科技使命和工匠精神，鼓励他们投身先进技术和重点岗位，为自主可控的技术发展和技术突破贡献力量。这也构成了本课程的思政内涵。	指标点2.3：能够应用工程基础和专业基础基本原理，研究分析信息工程领域复杂工程问题，获得有效结论 指标点：思政教学

5. 课程目标与教学内容和教学环节的对应关系

   序号	课程目标	教学内容	教学环节
   			课堂教学	课程项目	互动研讨	课外作业
   1	初步了解现代光子学的研究内容、应用范畴以及发展趋势。	现代光子学的研究范畴简介 2.现代光子学在信息传输、光伏器件、光源、生命科学与医疗等方面的应用	＋	＋		＋
   2	从几何光学和波动光学两个角度引导讨论，掌握介质中光传播的基本分析方法。	1. 光的波动方程描述，金属的介电常数模型； 2. 光的散射和吸收； 3. 光的色散 4. 光的衰减 5. 光的极化与双折射 6. 光的干涉和衍射理论 7. 几何光学基本原理	＋	＋		＋
   3	了解光纤的基本原理，不同类型的光纤及其应用。	光纤中光的传输 单模光纤 多膜光纤 光纤的损耗 光纤的带宽 光纤的色散	＋	＋	＋	＋
   4	了解金属中不同类型的等离子体现象及其物理描述。理解人工表面等离激元的概念和原理。通过文献调研等方式探讨其在光电器件，生化技术中的应用。	1.金属中的等离子体简介 2.金属中的体等离子体 3.金属与介质界面上的表面等离激元 4.局域表面等离激元 6.亚波长孔阵列中的光透射 7．适用于微波及太赫兹频率的人工表面等离激元 8.研讨:等离激元的前沿应用	＋	＋	＋	＋
   5	了解变换光学的基本理论和应用场景。介绍变换光学的基本理论。通过文献调研等方式探讨变换光学在电磁器件设计中的应用及局限性等具体问题。	1.坐标变换与度规张量简介 2.变换光学理论简介 3.压缩变换与隐身斗篷、天线设计 4.反演变换与微纳光子学	＋	＋	＋	＋
   6	通过文献调研引导进行现代光子学发展前沿的研讨，初步认识到国内在光子学各个前沿领域的成绩和短板。通过潜移默化方式培养学生的爱国主义、社会责任、科技使命和工匠精神，鼓励他们投身先进技术和重点岗位，为自主可控的技术发展和技术突破贡献力量。	1.光子学在现代信息领域的应用	＋	＋	＋	＋

6. 课程内容与学时分配

本课程共计32学时，具体教学内容与课时分配如下：

 1、引论：初步了解现代光子学的研究内容（2学时/课内）

结合前期课程中对光学和光子学的认识，初步了解现代光子学的研究内容。介绍本课程拟介绍的现代光子学若干分支。通过一些实例概括的介绍现代光子学在信息传输、光伏器件、光源、生命科学与医疗等方面的应用以及中国的光子产业发展情况。

【思政元素】：通过案例分享和剖析，让学生了解我国相关技术现状，提升学生的爱国情怀、社会责任和科技使命等。

 2、介质中光传播的基本分析方法（8学时/课内）

从几何光学和波动光学两个角度引导讨论，介绍介质中光传播的基本分析方法。理解介电常数和折射率、光的散射和吸收、光的色散、光的衰减、极化与双折射等物理概念。注意引导学生区分微波段与光频段分析方法的异同。

 3、光纤的原理及应用（4学时/课内）

讲述光纤中光的传输原理，介绍单模光纤、多模光纤的物理概念和原理。指导学生通过文献调研等方式了解光纤的损耗、带宽、色散等因素对光纤的实际工程应用的影响。

 4、等离子体激元的概念、应用及研讨（6学时/课内）

讲述金属中三种不同类型的等离子体现象及其物理描述。通过文献调研等方式探讨其在信息传输、光电器件中的应用。

 5、人工表面等离激元的概念、应用及研讨（4学时/课内）

介绍人工电磁超材料的概念，并进一步引入人工表面等离激元超材料的概念。阐明人工表面等离激元结构及器件的设计原理。针对人工表面等离激元器件设计及应用的具体问题，展开研讨性学习，包括课内研讨、仿真设计软件学习和课外自主创新环节。

 6、变换光学（6学时/课内）

介绍变换光学的基本理论。阐明方程在坐标变换下保持形式不变性这一核心原理。指导学生阅读相关文献，针对变换光学在电磁器件设计中的应用及局限性等具体问题，展开研讨式学习。

 7、光子学在现代信息领域的应用（2学时/课内）

结合课程前面章节学习积累的理论基础，通过文献调研着重引导学生针对光子学在信息领域的前沿应用进行研讨式学习。

【思政元素】：结合当下国际科技对抗加剧的形式，分析技术竞争中的主导因素、和对市场和国家发展的影响，鼓励学生投身到相关领域的科学研究或技术开发工作岗位中，为科技发展贡献力量。

7. 教学方法

本课程教学内容来源包括多个方面：1)现代光子学的基本内容，2)现代光子学的前沿理论与应用，3)教师的科研积累。其中，课程基础、通用原理以及一般性分析方法将通过课题教学方式实施；各领域的最新研究成果，则采用指导学生阅读参考文献，通过自主学习和研讨方式，辅以少量讲授来实施；未来发展方向上则以讲授与研讨同步，通过介绍发展方向和研究热点，鼓励学生开展主动性学习和思考。本课程的教学内容组织既注重基础和原理，也注重结合应用场景和未来发展方向的新技术。本课程重点教授给学生现代光子学若干分支的基本原理和分析方法，培养学生主动学习能力、创新能力，以及实践能力，并为在进一步求学或科研中提出新问题，分析新问题的能力培养打下基础。

本课程的教学将充分利用数字化技术、多媒体技术制作丰富多彩的教学和辅导材料，调动学习积极性，并利用现有各种线上工具资源提升和辅助学生开展课外研学，提高教学效率。在教学方法上体现先进性与互动性，引导学生进行探究式与个性化学习。引入多种考核形式，严格考核考试评价体系，提高学生的成就感。

8. 课程考核与成绩评定

课程的考核以考核学生对课程目标的达成为主要目的，以检查学生对教学内容的掌握程度为重要内容。课程成绩包括3个部分，为平时成绩、期中研学报告（思政考核）和期末科技论文。

总评成绩 = 平时成绩占20%+研学报告（思政考核）占30％+期末科技论文占50％

成绩评定方式如下表所示：

课程目标与课程考核环节关系：

9. 课程教材与主要参考书

1. 教材

光学原理: 光的传播、干涉和衍射的电磁理论(第7版)(玻恩, 沃耳夫著，杨葭荪译, 电子工业出版社,2016)

2. 主要参考书

•  Plasmonics: Fundamentals and Applications（Stefan Alexander Maier, Springer, 2007）

• 纳米光学原理(第二版) (卢卡斯, 贝尔特著，北京大学出版社, 2020)

•  Introduction to Optics （Frank L. Pedrotti, Leno M. Pedrotti, Leno S. Pedrotti, 3rd edition, Addison-Wesley, 2006)