光波传输数值仿真 [Numerical simulation of optical wave propagation] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 杰森·D.施密特 著，郭汝海，郑长彬，曹立华 译

图书标签:

• 光波传输
• 数值仿真
• 光纤通信
• 光学
• 数值计算
• MATLAB
• Python
• 电磁场
• 光传播
• 光纤光学

出版社： 国防工业出版社

ISBN：9787118114287

版次：1

商品编码：12360369

包装：精装

外文名称：Numerical simulation of optical wave propagation

开本：16开

出版时间：2018-02-01

用纸：胶版纸

页数：176

正文语种：中文

内容简介

　　《光波传输数值仿真》这本专著系统介绍了光波传输的基础理论、离散采样方法、基于MATLAB平台的编码实例以及具体的应用场合，对于从事光学系统设计，特别是激光系统设计的科研人员具有参考价值。

作者简介

　　杰森·D.施密特，美国空军少校，是空军工业大学电气与计算机工程学院光电专业副教授。曾在美国空军研究实验室“星火”光学实验场做过研究，在Dayton大学获得了光电专业博士学位。Schmidt，博士对大气湍流光波传输已有10年的研究。他在2008年从美国空军科学技术部获得了青年研究优秀奖。除了光波传播，Schmidt博士的研究领域还包括自由空间光通信和自适应光学等。

目录

第1章 标量衍射理论基本原理
1．1 经典电动力学基础
1．1．1 电场和磁场的源
1．1．2 电和磁场
1．2 麦克斯韦方程组的简单行波解
1．2．1 获得波动方程
1．2．2 简单行波场
1．3 标量衍射理论
1．4 习题

第2章 数字傅里叶变换
2．1 数字傅里叶变换基本原理
2．1．1 傅里叶变换：从解析到数值
2．1．2 傅里叶逆变换：从解析到数值
2．1．3 在软件中运行分立傅里叶变换
2．2 采样纯频率函数
2．3 分立和连续傅里叶变换的对比
2．4 分立化的混淆效应
2．5 信号变换的3个研究实例
2．5．1 sinec信号
2．5．2 高斯信号
2．5．3 带二次方相位的高斯信号
2．6 二维分立傅里叶变换
2．7 习题

第3章 使用傅里叶变换的简单运算
3．1 卷积
3．2 相关
3．3 结构函数
3．4 微分
3．5 习题

第4章 夫琅和费衍射与透镜
4．1 夫琅和费衍射
4．2 透镜的傅里叶变换属性
4．2．1 紧靠透镜物体
4．2．2 镜前物体
4．2．3 镜后物体
4．3 习题

第5章 成像系统和像差
5．1 像差
5．1．1 赛德尔像差
5．1．2 泽尔尼克圆多项式
5．2 成像系统的脉冲响应和传递函数
5．2．1 相干成像
5．2．2 非相干成像
5．2．3 斯特列尔比
5．3 习题

第6章 真空菲涅耳衍射
6．1 不同形式的菲涅耳衍射积分
6．2 算子符号
6．3 菲涅耳积分运算
6．3．1 一步传播
6．3．2 两步传播
6．4 角频谱传播
6．5 简单光学系统
6．6 点源
6．7 习题

第7章 菲涅耳衍射的采样要求
7．1 施加带宽限制
7．2 传播几何结构
7．3 传播方法的有效性
7．3．1 菲涅耳积分传播
7．3．2 角频谱传播
7．3．3 一般准则
7．4 习题

第8章 部分光传播的松弛采样约束
8．1 吸收边界
8．2 两部分传播
8．3 任意数目的部分传播
8．4 多重部分传播的采样
8．5 习题

第9章 通过大气湍流的传播
9．1 分步光束传播方法
9．2 大气湍流的折射率性质
9．2．1 柯尔莫哥洛夫湍流理论
9．2．2 通过湍流的光学传播
9．2．3 大气光学参数
9．2．4 分层大气模型
9．2．5 理论
9．3 蒙特卡罗相位屏
9．4 采样约束
9．5 执行合理采样的仿真
9．5．1 确定传播几何结构及湍流条件
9．5．2 分析采样限制
9．5．3 执行真空仿真
9．5．4 执行湍流仿真
9．5．5 验证输出结果
9．6 结论
9．7 习题
附录A 函数定义
附录B MATLAB代码列表
参考文献

《光波传输数值仿真》：深入探索光的世界 本书是一部系统而详实的学术专著，专注于光波在各种介质中传输过程的数值模拟方法。作者以严谨的科学态度和深厚的专业功底，系统地梳理了光波传输模拟的理论基础，并在此基础上，详细阐述了当前主流的数值计算技术和算法，以及它们在实际应用中的策略和挑战。本书旨在为光学、物理学、工程学等相关领域的科研人员、研究生以及对光波传输现象及其数值模拟感兴趣的专业人士，提供一个全面、深入的学习和研究平台。 第一部分：理论基石——理解光波的本质 在深入探讨数值模拟技术之前，本书首先为读者构建了一个坚实的理论框架。这部分内容聚焦于理解光波传输背后的物理原理，为后续的数值分析奠定坚实的基础。 电磁波理论回顾： 本章将回顾麦克斯韦方程组及其在描述光波传播中的核心作用。我们将详细探讨麦克斯韦方程组的微分和积分形式，以及它们在不同坐标系下的表述。重点将放在解释自由空间、各向同性介质以及各向异性介质中光波的传播特性，包括波动方程的推导和解的性质。此外，还将简要介绍并分析不同介质（如均匀介质、非均匀介质、损耗介质、色散介质）对光波传播的影响，为后续的数值模型提供物理依据。 波动光学与几何光学： 本章将区分并对比波动光学和几何光学两种描述光波传播的方法。我们将详细阐述几何光学作为波动光学在特定条件（如波长远小于特征尺度）下的近似，以及它在处理光线传播、成像等问题时的优势。随后，我们将深入探讨波动光学，强调衍射、干涉等波动现象的普适性，并介绍惠更斯原理、菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射等关键概念。这将帮助读者理解何时需要采用更精确的波动光学模型进行数值模拟。 关键光学现象与模型： 为了更全面地理解光波传输的复杂性，本书将深入分析几种关键的光学现象。这包括： 衍射： 详细探讨光波绕过障碍物或通过狭缝时发生的偏离直线传播的现象，重点分析不同孔径形状和尺寸对衍射图样的影响，并引入夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射的数学描述。 干涉： 阐述两束或多束相干光波叠加时产生的强度分布周期性变化现象，分析相干性、光程差和相位差在干涉中的作用，并介绍杨氏双缝干涉、薄膜干涉等经典案例。 散射： 解释光波与介质中的微小粒子相互作用而改变传播方向的现象，区分瑞利散射和米氏散射，并讨论散射截面和散射角分布的意义。 偏振： 阐述光波电矢量振动方向的特性，介绍线偏振、圆偏振和椭圆偏振，以及偏振的产生和改变机制，如反射、折射、散射和通过双折射材料。 非线性光学效应： 简要介绍在强光场作用下介质光学性质发生变化的现象，如二次谐波产生、自聚焦等，为后续可能涉及的非线性光波传输模拟埋下伏笔。 第二部分：数值计算的利器——主流模拟方法的解析 在理论基础之上，本书的核心内容在于系统地介绍和深入分析各种用于光波传输模拟的数值计算方法。每一章都将从方法原理出发，详细介绍其离散化技术、算法流程、优缺点，并结合实例进行说明。 有限差分时域（FDTD）方法： FDTD方法作为一种直接求解麦克斯韦方程组的强大工具，将在本书中占据重要篇幅。我们将详细阐述其基本原理，即如何将连续的微分方程在时间和空间上进行离散化，形成网格，并通过迭代的方式更新电磁场分量。重点将放在Yee网格的构建，及其在二维和三维情况下的应用。同时，我们将深入探讨： 离散化误差分析： 分析空间和时间离散化带来的误差来源，以及如何通过减小网格尺寸和时间步长来提高精度，并讨论稳定性条件（如CFL条件）。 边界条件处理： 详细介绍在仿真区域边界如何处理反射，重点讲解完全匹配层（PML）技术的原理和实现，以及其他吸收边界条件。 源的激励方法： 讲解如何在一个或多个点上引入时域激励源（如平面波、高斯脉冲），以及不同激励方法的优劣。 模型复杂性与计算资源： 分析FDTD方法在处理复杂结构（如纳米结构、周期性结构）时的优势，以及计算量随模型尺寸和维度增长的特点，并提出优化策略。 实际案例分析： 通过实例展示FDTD方法在模拟平面波入射、衍射光栅、光子晶体、谐振腔等问题上的应用。 有限元方法（FEM）： FEM作为另一种广泛应用于解决偏微分方程的数值方法，在处理复杂几何形状方面具有独特的优势。本书将详细阐述： 变分原理与加权残量法： 介绍FEM的数学基础，如何将麦克斯韦方程组转化为积分形式（弱形式），并采用加权残量法进行求解。 单元划分与插值基函数： 讲解如何将仿真区域划分为小的有限单元（如三角形、四边形、四面体、六面体），并选择合适的插值基函数（如多项式基函数）来近似表示场分布。 组装全局方程组： 阐述如何将局部单元方程组组装成全局的稀疏线性方程组，以及如何进行求解（如直接法和迭代法）。 边界条件与材料建模： 详细说明FEM如何处理各种复杂的边界条件（如Dirichlet、Neumann、Robin边界）和非均匀、各向异性材料的建模。 与FDTD的对比： 分析FEM在处理复杂几何形状、局部网格细化方面的优势，以及其在某些情况下计算复杂度可能高于FDTD的特点。 应用场景： 通过实例展示FEM在模拟微纳光学器件（如波导、谐振腔、天线）设计和分析中的应用。 传播算法（Beam Propagation Method, BPM）： BPM方法是一种高效的近似求解方法，特别适用于模拟光波在均匀或缓慢变化的介质中长距离传输的问题，如光纤、光波导等。本书将深入讲解： 基于Helmholtz方程的推导： 阐述BPM的基本思想，即将波动方程近似为抛物方程，通过迭代求解来模拟光波的传播。 慢变包络近似： 详细介绍慢变包络近似及其适用条件，以及如何通过引入慢变包络近似来简化波动方程。 有限差分或傅里叶谱BPM： 分别介绍基于有限差分和傅里叶谱两种求解抛物方程的BPM算法，并分析它们的优缺点。 边界条件与周期性结构： 讨论BPM在处理吸收边界和周期性结构时的策略。 适用范围与局限性： 强调BPM的效率和优势，同时指出其在处理强散射、高反射和急剧变化折射率分布时的局限性。 工程应用： 通过实例展示BPM在光波导、光纤耦合器、集成光学器件设计中的应用。 积分方程方法（Integral Equation Methods）： 积分方程方法将求解偏微分方程的问题转化为求解积分方程，在处理开放边界问题和散射问题时具有显著优势。本书将： 格林函数方法： 介绍格林函数在求解亥姆holtz方程中的作用，并阐述如何利用格林函数将麦克斯韦方程组转化为积分方程。 方法之矩（Method of Moments, MoM）： 详细讲解MoM的原理，包括如何将未知场展开为基函数，并采用伽辽金（Galerkin）或西尔维斯特（Collocation）法来求解积分方程。 边界积分方程（BIE）与体积积分方程（VIE）： 区分BIE和VIE的应用场景，以及它们在不同类型问题中的优势。 计算效率与适用性： 分析MoM在处理电大尺寸物体和复杂形状时的挑战，以及其在远场计算方面的优势。 实例解析： 通过实例展示MoM在散射截面计算、天线设计等领域的应用。 其他数值方法简述： 除了上述主流方法，本书还将简要介绍其他一些具有重要意义的数值方法，包括： 时频域（TD-FDTD）方法： 针对需要同时考虑时间和频率信息的仿真场景。 鬼波（Quasi-analytical methods）： 如模式展开法（Modal Expansion Method, MEM），适用于分析周期性结构。 多极展开法（Multipole Expansion）： 用于分析特定几何形状的光学响应。 第三部分：实践导向——模型构建、仿真流程与结果分析 理论方法固然重要，但将这些方法应用于实际问题需要系统性的流程和细致的考量。本书的第三部分将聚焦于实践层面，指导读者如何有效地进行光波传输数值仿真。 建模与离散化策略： 几何建模： 如何精确地将光学器件或物理场景转化为数值模型，包括网格划分的原则、自适应网格的应用以及几何精度对仿真结果的影响。 材料参数的设定： 准确定义介质的电磁参数（介电常数、磁导率、折射率、损耗因子等），以及如何处理色散和非线性材料。 网格密度与收敛性分析： 讨论网格密度对仿真精度的影响，以及如何通过网格收敛性研究来评估计算结果的可靠性。 仿真流程设计与实施： 问题定义与简化： 如何清晰地定义仿真目标，并根据物理实际对模型进行合理的简化。 边界条件与激励源的选择： 根据物理场景选择合适的边界条件（如 PML, Perfect Electric Conductor/Magnetic Conductor），并设计合理的激励源。 求解器的选择与参数设置： 根据所选数值方法和问题特点，选择合适的求解器（如直接求解器、迭代求解器）以及相应的算法参数（如时间步长、迭代精度）。 并行计算与优化： 探讨如何利用多核处理器和分布式计算资源来加速大型仿真任务，以及各种优化策略。 结果分析与验证： 数据可视化： 如何有效地可视化电磁场分布、强度分布、衍射图样等仿真结果。 关键物理量的提取： 如何从仿真结果中提取关键物理量，如传输效率、反射率、散射截面、光强分布、相移等。 与理论预测和实验数据的对比： 强调结果验证的重要性，包括与解析解（如果存在）、近似理论模型以及实验数据的对比，以评估仿真方法的准确性。 误差分析与不确定性评估： 如何对仿真结果进行误差分析，并评估计算结果的不确定性。 常见问题与挑战： 计算资源限制： 如何在高精度和计算资源之间取得平衡。 复杂结构建模： 如何处理具有精细结构的复杂几何形状。 多物理场耦合： 简要提及如何处理与热、机械等其他物理场耦合的光波传输问题。 算法的选择与权衡： 如何根据具体的仿真任务选择最合适的数值方法。 第四部分：前沿应用与未来展望 本书的最后一章将视角投向了光波传输数值仿真的前沿应用领域，并对未来的发展方向进行展望，激发读者的创新思维。 光子晶体与超材料： 介绍如何利用数值模拟来设计和优化具有特殊光学功能的周期性结构和人工结构，如光子带隙、负折射率材料等。 微纳光学器件设计： 探讨数值仿真在设计光波导、光栅耦合器、干涉仪、透镜、全息图等微纳光学器件中的关键作用。 生物光学与医学成像： 介绍光波在生物组织中的传播模拟，以及在激光治疗、荧光成像、光学相干层析成像（OCT）等医学应用中的潜力。 散射介质中的光传播： 探讨如何在复杂散射介质（如雾、云、血液）中模拟光波的传播，以及在遥感、成像等领域的应用。 量子光学与光子信息： 简要提及光波传输数值仿真在量子通信、量子计算等领域的潜在应用。 新算法与技术发展： 展望未来可能出现的新型数值算法、机器学习在仿真中的应用，以及高性能计算的进一步发展对光波传输模拟的推动作用。 《光波传输数值仿真》力求做到内容全面、讲解深入、理论与实践相结合，希望能为读者提供一条通往理解和掌握光波传输模拟技术的清晰路径，并激发他们在该领域的进一步探索和创新。

评分☆☆☆☆☆

这本《光波传输数值仿真》的书名，首先就勾起了我对光学领域里那些抽象理论如何与实际计算相结合的好奇。我一直觉得，光学，特别是光波的传播，本身就是一个充满数学美和物理奥秘的学科。但要真正掌握它，光靠理论推导是远远不够的，我们往往需要借助于强大的数值计算工具来模拟和理解那些复杂的现象。这本书的书名直接点明了这一点，暗示了它会带领读者深入到如何通过编程和算法来“看见”光波的行踪，这让我充满了期待。我设想，书中可能会详细介绍各种经典的数值仿真方法，比如有限元法（FEM）、时域有限差分法（FDTD）或者角谱法等等。我特别想知道，作者会以一种什么样的逻辑来组织这些内容，是按照方法的成熟度、应用范围，还是从最基础的波动方程出发，逐步引入不同的数值离散技术？而且，在讲解每种方法的时候，是否会结合具体的物理场景，比如光在不同介质中的传播、衍射、干涉，甚至是光纤通信中的信号传输？我尤其关心，这本书会不会提供一些实际的代码示例，哪怕是伪代码，能够让我快速理解算法的实现细节，并且能够自己动手去尝试。如果这本书能够在我阅读完后，让我对“光波在三维空间中如何演化”有一个直观且深刻的认识，那么它就值回票价了。

评分☆☆☆☆☆

当我看到《光波传输数值仿真》这本书名时，我的脑海里立刻浮现出物理课本上那些优美的波动方程，以及对光学现象的各种理论解释。然而，我总觉得这些理论在应用于复杂场景时，总会遇到一些难以解决的难题，比如光在不规则介质中的传播，或者复杂的衍射图案的精确计算。这本书名恰恰点出了“数值仿真”这个关键点，它似乎提供了一条将抽象理论转化为具体可执行计算的桥梁。我非常好奇，书中会用什么样的数学工具来离散化这些连续的波动方程，是有限差分、有限元，还是其他更高级的方法？而且，对于那些具有挑战性的边界条件，比如非均匀介质或者复杂的光源，书中会提供怎样的处理技巧？我最期待的，是能够在这本书中看到一些关于如何构建仿真模型，以及如何解读仿真结果的指导。如果书中能包含一些实际的项目案例，比如模拟激光与材料的相互作用，或者分析光信号在复杂光纤网络中的传输，那将极大地增强我对这本书的价值判断。

评分☆☆☆☆☆

我买这本书的主要目的是想提升自己在光波传输仿真方面的技能，特别是针对一些实际工程应用场景。我从事的工作经常需要处理光路设计和优化的问题，而理论计算往往难以覆盖所有复杂情况。因此，我迫切希望这本书能提供一些实用的方法和工具。我重点关注书中是否会介绍常用的仿真软件，比如Lumerical, COMSOL, 或者MATLAB Photonics Toolbox等，并提供一些基于这些软件的案例分析。我希望作者能够分享一些在实际应用中遇到的挑战以及如何通过数值仿真来解决这些挑战的经验。例如，在设计高精度光学仪器时，如何考虑杂散光的影响？在开发新型光电器件时，如何评估其性能？这些都是我在工作中经常会遇到的问题，如果这本书能提供一些切实可行的解决方案，那将对我非常有帮助。我同时也希望书中能够讨论不同仿真方法的优缺点，以及在特定问题中如何选择最合适的仿真策略，这对于提高仿真效率和准确性至关重要。

评分☆☆☆☆☆

说实话，拿到《光波传输数值仿真》这本书，我的第一反应是它会不会太过学术化，晦涩难懂。毕竟，数值仿真往往伴随着大量的数学公式和编程概念，这对于非专业出身的我来说，可能会有一定的门槛。但是，当我翻开书页，看到作者似乎从一个非常基础的物理概念出发，解释了光波传播的本质，然后才慢慢引入数值模拟的必要性，这让我大大松了一口气。我了解到，书中可能并没有直接跳到复杂的算法，而是先建立了一个坚实的物理直觉，比如从麦克斯韦方程组的简化形式开始，然后解释为什么我们不能轻易地求解这些方程，从而引出数值模拟的价值。我非常欣赏这种循序渐进的讲解方式，它不像有些书那样上来就甩一堆公式，而是试图让读者理解“为什么”需要数值仿真。而且，我注意到书中还用了一些图示和动画的描述（即使只是文字描述），来帮助我理解一些空间离散化的过程，比如网格划分、边界条件的处理等等。这些细节让我觉得，作者是真正站在读者的角度去思考问题的，希望能将这个相对复杂的领域变得更易于接受。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简洁而专业，书名《光波传输数值仿真》也让我立刻联想到其内容可能涉及的精确性和计算的严谨性。我一直对计算机如何模拟物理现象感到着迷，尤其是像光波这样肉眼不可见但又无处不在的能量传播。我希望这本书能够深入浅出地讲解如何将光学中的抽象概念，例如波长、频率、振幅、相位，以及像衍射、反射、折射等现象，转化为计算机可以理解和处理的数值模型。我很想知道，书中会如何处理不同材料的折射率变化，以及复杂几何形状物体对光波传播的影响。我期待书中能够展示一些通过数值仿真得到的令人惊叹的光波传播图景，比如光束在微透镜阵列中的聚焦，或者在散射介质中的扩散行为。此外，我一直对一些前沿的光学技术，如光子晶体、超材料中的光波控制很感兴趣，这本书是否有能力帮助我理解这些复杂结构是如何通过数值仿真来设计的，这会是它的一大亮点。