高能激光武器虚拟仿真实验

在光学工程本科专业的教学中，激光武器系统设计、激光毁伤效能评估是南京理工大学光学工程专业的核心教学内容，《激光原理与应用》是专业的骨干课程，其中高能激光器、高能激光发射系统、高能激光传输及毁伤，涉及的理论知识点多、技术复杂，学生理解起来难度大。

教学过程中，高能激光武器系统以及相关的高能激光器、激光发射、激光传输与毁伤等内容无法开设实体实验，不仅因为代价太大，还涉及到难以解决的安全、保密、实验结果观测等问题。传统上这部分教学内容多以理论授课为主，教学效率低、学生体验差。

a) 帮助学生掌握激光器的组成、工作原理，通过实际案例使学生深入观察高能激光武器系统对不同目标的毁伤，理解高能激光的产生、发射、传输及毁伤的机理；

b) 帮助学生熟悉高斯光束的空间传播，根据实验任务设计高能激光发射系统主要系统参数，并观察、计算发射系统参数对激光毁伤目标的影响，理解激光发射系统参数的设计原则和设计约束；

c) 帮助学生理解光纤激光器的组成及工作原理，掌握激光器输出功率、泵浦转化效率的计算方法，根据实验任务设计泵浦、增益光纤以及谐振腔参数，并观察上述参数对激光器输出特性的影响，进一步理解光纤激光器的作用机理；

d) 帮助学生理解高能激光武器系统参数对毁伤的影响，通过多参数组合优化设计，提高学生在高能激光武器系统的总体设计方面解决复杂问题的能力。

a) 采用“情景模拟”的任务驱动式教学，将实验任务融入情景中。本实验项目将高能激光武器系统设计放置于三个实际情景中（激光扫雷、反无人机、反导弹），并通过毁伤目标这一实验任务驱动学生去探究并完成实验，同时将课堂上所学的理论知识与具体工程任务相联系，并利用软件来仿真实验场景，使得学生们能够快速掌握实验目的和教学内容。

b) 采用“随机出题”的互动式教学，提高实验的趣味性和互动性。本实验项目在综合设计环节采用了“随机出题”的设计原则，即不同学生开展实验，或学生多次开展实验，实验任务的毁伤目标及部分参数随机给定，提高了学生参与实验的互动性和趣味性，也避免了抄袭答案的现象发生。

c) 采用“线下线上相结合”的混合式教学，在线下通过学习到的知识进行参数设计，在线上观察所设计激光武器对目标的毁伤效果。本实验项目通过采用“线下线上相结合”的混合式教学，提高了学生发现问题并解决问题的能力，也增强了学生自主学习的积极性。

高能激光武器虚拟仿真教学软件；

学生和教师用电脑：带有独立显卡的笔记本或台式电脑；

   互联网的网络环境。

本实验项目的预设参数包括：

环境参数设置：激光在大气中的透过率；

目标参数设置：目标处距离；

近距离武器发射系统参数设置：激光模块出射功率和波长、光纤纤芯半径和数值孔径；

中距离武器发射系统参数设置：激光子模块出射激光功率、波长和线宽、衍射光栅周期、发射系统主镜和次镜焦距；

远距离武器发射系统参数设置：激光子模块出射激光功率、波长和光束质量因子M²、发射系统次镜焦距；

近距离武器激光模块参数设置：YDF长度、泵浦吸收系数、OC反射率；

中距离武器激光模块参数设置：泵浦吸收系数、泵浦功率；

 远距离武器激光模块参数设置：泵浦吸收系数、泵浦功率、信号光输出功率；

本实验项目软件会自动记录各个实验步骤下学生输入的设计参数值、验 证测试时，生成实验报告，用于的对学生的实验结果进行客观评价。

本实验项目的成绩包括4个模块的成绩，合计100 分，评分标准如下：

（1）系统认知模块（占10%）的考核评分标准如下：

完成自测题， 满分 10 分，每题 1 分

（2）激光武器系统参数需求设计模块（占34%）的考核评分标准如下：

1、近距低功率型武器系统

学生输出参数达到任务目标，即要求靶功率密度4000W/cm²以及光斑直径0.4cm，得8分；未达到目标，扣1分后重新调整设计参数，直至达标或分数为0

2、中距高功率型武器系统

学生输出参数达到任务目标，即要求靶功率密度1500W/cm²以及光斑直径2cm，得8分；未达到目标，扣1分后重新调整设计参数，直至达标或分数为0

3、远距高功率型武器系统

学生输出参数达到任务目标，即要求靶功率密度100W/cm²以及光斑直径18cm，得8分；未达到目标，扣1分后重新调整设计参数，直至达标或分数为0

4、完成实验总结填空题

满分 10 分，每题 1 分

（3）高能激光光源系统参数设计模块（占34%）的考核评分标准如下：

1、近距低功率型武器系统激光模块参数设计

学生输出参数达到任务目标，即输出功率500W以上，斜效率73.3％，得8分；未达到目标，若激光器未出光扣1分，若激光器烧毁扣2分，后重新调整设计参数，直至达标或分数为0

2、中距高功率型武器系统激光模块参数设计

学生输出参数达到任务目标，输出功率5000W以上，斜效率79.61％，得8分；未达到目标，若激光器未出光扣1分，若激光器烧毁扣2分，后重新调整设计参数，直至达标或分数为0

3、远距高功率型武器系统激光模块参数设计

理论布里渊值P_th=3000W，学生设计输出参数为P_th’，若P_th’ >P_th，得8分；若P_th’<P_th,扣1分后重新调整设计参数，直至达标或分数为0

4、完成实验总结填空题

满分 10 分，每题 1 分

（4）激光武器射击综合设计模块（占22%）的考核评分标准如下：

1、根据实验要求选择合适的激光器并完成对目标的毁伤任务

若所选激光器恰当且成功完成毁伤任务共计得12分；若所选激光器不恰当但成功完成毁伤任务共计得10分；若实验结果显示失败，扣2分后重新调整设计参数，直至满足前两种情况或分数为0

2、填写实验总结报告

满分 10 分

2013年，指导学生参加第十三届“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛，获特等奖，个人获“优秀指导教师奖”。

       2015年，参与“应用型研究生工程实践能力的提高与培养”项目（排名第三），获江苏省2015年度研究生培养模式改革成果二等奖。