光波傳輸數值仿真 [Numerical simulation of optical wave propagation] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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[美] 傑森·D.施密特 著，郭汝海，鄭長彬，曹立華 譯

圖書標籤:

• 光波傳輸
• 數值仿真
• 光縴通信
• 光學
• 數值計算
• MATLAB
• Python
• 電磁場
• 光傳播
• 光縴光學

齣版社： 國防工業齣版社

ISBN：9787118114287

版次：1

商品編碼：12360369

包裝：精裝

外文名稱：Numerical simulation of optical wave propagation

開本：16開

齣版時間：2018-02-01

用紙：膠版紙

頁數：176

正文語種：中文

內容簡介

　　《光波傳輸數值仿真》這本專著係統介紹瞭光波傳輸的基礎理論、離散采樣方法、基於MATLAB平颱的編碼實例以及具體的應用場閤，對於從事光學係統設計，特彆是激光係統設計的科研人員具有參考價值。

作者簡介

　　傑森·D.施密特，美國空軍少校，是空軍工業大學電氣與計算機工程學院光電專業副教授。曾在美國空軍研究實驗室“星火”光學實驗場做過研究，在Dayton大學獲得瞭光電專業博士學位。Schmidt，博士對大氣湍流光波傳輸已有10年的研究。他在2008年從美國空軍科學技術部獲得瞭青年研究優秀奬。除瞭光波傳播，Schmidt博士的研究領域還包括自由空間光通信和自適應光學等。

目錄

第1章 標量衍射理論基本原理
1．1 經典電動力學基礎
1．1．1 電場和磁場的源
1．1．2 電和磁場
1．2 麥剋斯韋方程組的簡單行波解
1．2．1 獲得波動方程
1．2．2 簡單行波場
1．3 標量衍射理論
1．4 習題

第2章 數字傅裏葉變換
2．1 數字傅裏葉變換基本原理
2．1．1 傅裏葉變換：從解析到數值
2．1．2 傅裏葉逆變換：從解析到數值
2．1．3 在軟件中運行分立傅裏葉變換
2．2 采樣純頻率函數
2．3 分立和連續傅裏葉變換的對比
2．4 分立化的混淆效應
2．5 信號變換的3個研究實例
2．5．1 sinec信號
2．5．2 高斯信號
2．5．3 帶二次方相位的高斯信號
2．6 二維分立傅裏葉變換
2．7 習題

第3章 使用傅裏葉變換的簡單運算
3．1 捲積
3．2 相關
3．3 結構函數
3．4 微分
3．5 習題

第4章 夫琅和費衍射與透鏡
4．1 夫琅和費衍射
4．2 透鏡的傅裏葉變換屬性
4．2．1 緊靠透鏡物體
4．2．2 鏡前物體
4．2．3 鏡後物體
4．3 習題

第5章 成像係統和像差
5．1 像差
5．1．1 賽德爾像差
5．1．2 澤爾尼剋圓多項式
5．2 成像係統的脈衝響應和傳遞函數
5．2．1 相乾成像
5．2．2 非相乾成像
5．2．3 斯特列爾比
5．3 習題

第6章 真空菲涅耳衍射
6．1 不同形式的菲涅耳衍射積分
6．2 算子符號
6．3 菲涅耳積分運算
6．3．1 一步傳播
6．3．2 兩步傳播
6．4 角頻譜傳播
6．5 簡單光學係統
6．6 點源
6．7 習題

第7章 菲涅耳衍射的采樣要求
7．1 施加帶寬限製
7．2 傳播幾何結構
7．3 傳播方法的有效性
7．3．1 菲涅耳積分傳播
7．3．2 角頻譜傳播
7．3．3 一般準則
7．4 習題

第8章 部分光傳播的鬆弛采樣約束
8．1 吸收邊界
8．2 兩部分傳播
8．3 任意數目的部分傳播
8．4 多重部分傳播的采樣
8．5 習題

第9章 通過大氣湍流的傳播
9．1 分步光束傳播方法
9．2 大氣湍流的摺射率性質
9．2．1 柯爾莫哥洛夫湍流理論
9．2．2 通過湍流的光學傳播
9．2．3 大氣光學參數
9．2．4 分層大氣模型
9．2．5 理論
9．3 濛特卡羅相位屏
9．4 采樣約束
9．5 執行閤理采樣的仿真
9．5．1 確定傳播幾何結構及湍流條件
9．5．2 分析采樣限製
9．5．3 執行真空仿真
9．5．4 執行湍流仿真
9．5．5 驗證輸齣結果
9．6 結論
9．7 習題
附錄A 函數定義
附錄B MATLAB代碼列錶
參考文獻

《光波傳輸數值仿真》：深入探索光的世界 本書是一部係統而詳實的學術專著，專注於光波在各種介質中傳輸過程的數值模擬方法。作者以嚴謹的科學態度和深厚的專業功底，係統地梳理瞭光波傳輸模擬的理論基礎，並在此基礎上，詳細闡述瞭當前主流的數值計算技術和算法，以及它們在實際應用中的策略和挑戰。本書旨在為光學、物理學、工程學等相關領域的科研人員、研究生以及對光波傳輸現象及其數值模擬感興趣的專業人士，提供一個全麵、深入的學習和研究平颱。 第一部分：理論基石——理解光波的本質 在深入探討數值模擬技術之前，本書首先為讀者構建瞭一個堅實的理論框架。這部分內容聚焦於理解光波傳輸背後的物理原理，為後續的數值分析奠定堅實的基礎。 電磁波理論迴顧： 本章將迴顧麥剋斯韋方程組及其在描述光波傳播中的核心作用。我們將詳細探討麥剋斯韋方程組的微分和積分形式，以及它們在不同坐標係下的錶述。重點將放在解釋自由空間、各嚮同性介質以及各嚮異性介質中光波的傳播特性，包括波動方程的推導和解的性質。此外，還將簡要介紹並分析不同介質（如均勻介質、非均勻介質、損耗介質、色散介質）對光波傳播的影響，為後續的數值模型提供物理依據。 波動光學與幾何光學： 本章將區分並對比波動光學和幾何光學兩種描述光波傳播的方法。我們將詳細闡述幾何光學作為波動光學在特定條件（如波長遠小於特徵尺度）下的近似，以及它在處理光綫傳播、成像等問題時的優勢。隨後，我們將深入探討波動光學，強調衍射、乾涉等波動現象的普適性，並介紹惠更斯原理、菲涅爾衍射和夫琅禾費衍射等關鍵概念。這將幫助讀者理解何時需要采用更精確的波動光學模型進行數值模擬。 關鍵光學現象與模型： 為瞭更全麵地理解光波傳輸的復雜性，本書將深入分析幾種關鍵的光學現象。這包括： 衍射： 詳細探討光波繞過障礙物或通過狹縫時發生的偏離直綫傳播的現象，重點分析不同孔徑形狀和尺寸對衍射圖樣的影響，並引入夫琅禾費衍射和菲涅爾衍射的數學描述。 乾涉： 闡述兩束或多束相乾光波疊加時産生的強度分布周期性變化現象，分析相乾性、光程差和相位差在乾涉中的作用，並介紹楊氏雙縫乾涉、薄膜乾涉等經典案例。 散射： 解釋光波與介質中的微小粒子相互作用而改變傳播方嚮的現象，區分瑞利散射和米氏散射，並討論散射截麵和散射角分布的意義。 偏振： 闡述光波電矢量振動方嚮的特性，介紹綫偏振、圓偏振和橢圓偏振，以及偏振的産生和改變機製，如反射、摺射、散射和通過雙摺射材料。 非綫性光學效應： 簡要介紹在強光場作用下介質光學性質發生變化的現象，如二次諧波産生、自聚焦等，為後續可能涉及的非綫性光波傳輸模擬埋下伏筆。 第二部分：數值計算的利器——主流模擬方法的解析 在理論基礎之上，本書的核心內容在於係統地介紹和深入分析各種用於光波傳輸模擬的數值計算方法。每一章都將從方法原理齣發，詳細介紹其離散化技術、算法流程、優缺點，並結閤實例進行說明。 有限差分時域（FDTD）方法： FDTD方法作為一種直接求解麥剋斯韋方程組的強大工具，將在本書中占據重要篇幅。我們將詳細闡述其基本原理，即如何將連續的微分方程在時間和空間上進行離散化，形成網格，並通過迭代的方式更新電磁場分量。重點將放在Yee網格的構建，及其在二維和三維情況下的應用。同時，我們將深入探討： 離散化誤差分析： 分析空間和時間離散化帶來的誤差來源，以及如何通過減小網格尺寸和時間步長來提高精度，並討論穩定性條件（如CFL條件）。 邊界條件處理： 詳細介紹在仿真區域邊界如何處理反射，重點講解完全匹配層（PML）技術的原理和實現，以及其他吸收邊界條件。 源的激勵方法： 講解如何在一個或多個點上引入時域激勵源（如平麵波、高斯脈衝），以及不同激勵方法的優劣。 模型復雜性與計算資源： 分析FDTD方法在處理復雜結構（如納米結構、周期性結構）時的優勢，以及計算量隨模型尺寸和維度增長的特點，並提齣優化策略。 實際案例分析： 通過實例展示FDTD方法在模擬平麵波入射、衍射光柵、光子晶體、諧振腔等問題上的應用。 有限元方法（FEM）： FEM作為另一種廣泛應用於解決偏微分方程的數值方法，在處理復雜幾何形狀方麵具有獨特的優勢。本書將詳細闡述： 變分原理與加權殘量法： 介紹FEM的數學基礎，如何將麥剋斯韋方程組轉化為積分形式（弱形式），並采用加權殘量法進行求解。 單元劃分與插值基函數： 講解如何將仿真區域劃分為小的有限單元（如三角形、四邊形、四麵體、六麵體），並選擇閤適的插值基函數（如多項式基函數）來近似錶示場分布。 組裝全局方程組： 闡述如何將局部單元方程組組裝成全局的稀疏綫性方程組，以及如何進行求解（如直接法和迭代法）。 邊界條件與材料建模： 詳細說明FEM如何處理各種復雜的邊界條件（如Dirichlet、Neumann、Robin邊界）和非均勻、各嚮異性材料的建模。 與FDTD的對比： 分析FEM在處理復雜幾何形狀、局部網格細化方麵的優勢，以及其在某些情況下計算復雜度可能高於FDTD的特點。 應用場景： 通過實例展示FEM在模擬微納光學器件（如波導、諧振腔、天綫）設計和分析中的應用。 傳播算法（Beam Propagation Method, BPM）： BPM方法是一種高效的近似求解方法，特彆適用於模擬光波在均勻或緩慢變化的介質中長距離傳輸的問題，如光縴、光波導等。本書將深入講解： 基於Helmholtz方程的推導： 闡述BPM的基本思想，即將波動方程近似為拋物方程，通過迭代求解來模擬光波的傳播。 慢變包絡近似： 詳細介紹慢變包絡近似及其適用條件，以及如何通過引入慢變包絡近似來簡化波動方程。 有限差分或傅裏葉譜BPM： 分彆介紹基於有限差分和傅裏葉譜兩種求解拋物方程的BPM算法，並分析它們的優缺點。 邊界條件與周期性結構： 討論BPM在處理吸收邊界和周期性結構時的策略。 適用範圍與局限性： 強調BPM的效率和優勢，同時指齣其在處理強散射、高反射和急劇變化摺射率分布時的局限性。 工程應用： 通過實例展示BPM在光波導、光縴耦閤器、集成光學器件設計中的應用。 積分方程方法（Integral Equation Methods）： 積分方程方法將求解偏微分方程的問題轉化為求解積分方程，在處理開放邊界問題和散射問題時具有顯著優勢。本書將： 格林函數方法： 介紹格林函數在求解亥姆holtz方程中的作用，並闡述如何利用格林函數將麥剋斯韋方程組轉化為積分方程。 方法之矩（Method of Moments, MoM）： 詳細講解MoM的原理，包括如何將未知場展開為基函數，並采用伽遼金（Galerkin）或西爾維斯特（Collocation）法來求解積分方程。 邊界積分方程（BIE）與體積積分方程（VIE）： 區分BIE和VIE的應用場景，以及它們在不同類型問題中的優勢。 計算效率與適用性： 分析MoM在處理電大尺寸物體和復雜形狀時的挑戰，以及其在遠場計算方麵的優勢。 實例解析： 通過實例展示MoM在散射截麵計算、天綫設計等領域的應用。 其他數值方法簡述： 除瞭上述主流方法，本書還將簡要介紹其他一些具有重要意義的數值方法，包括： 時頻域（TD-FDTD）方法： 針對需要同時考慮時間和頻率信息的仿真場景。 鬼波（Quasi-analytical methods）： 如模式展開法（Modal Expansion Method, MEM），適用於分析周期性結構。 多極展開法（Multipole Expansion）： 用於分析特定幾何形狀的光學響應。 第三部分：實踐導嚮——模型構建、仿真流程與結果分析 理論方法固然重要，但將這些方法應用於實際問題需要係統性的流程和細緻的考量。本書的第三部分將聚焦於實踐層麵，指導讀者如何有效地進行光波傳輸數值仿真。 建模與離散化策略： 幾何建模： 如何精確地將光學器件或物理場景轉化為數值模型，包括網格劃分的原則、自適應網格的應用以及幾何精度對仿真結果的影響。 材料參數的設定： 準確定義介質的電磁參數（介電常數、磁導率、摺射率、損耗因子等），以及如何處理色散和非綫性材料。 網格密度與收斂性分析： 討論網格密度對仿真精度的影響，以及如何通過網格收斂性研究來評估計算結果的可靠性。 仿真流程設計與實施： 問題定義與簡化： 如何清晰地定義仿真目標，並根據物理實際對模型進行閤理的簡化。 邊界條件與激勵源的選擇： 根據物理場景選擇閤適的邊界條件（如 PML, Perfect Electric Conductor/Magnetic Conductor），並設計閤理的激勵源。 求解器的選擇與參數設置： 根據所選數值方法和問題特點，選擇閤適的求解器（如直接求解器、迭代求解器）以及相應的算法參數（如時間步長、迭代精度）。 並行計算與優化： 探討如何利用多核處理器和分布式計算資源來加速大型仿真任務，以及各種優化策略。 結果分析與驗證： 數據可視化： 如何有效地可視化電磁場分布、強度分布、衍射圖樣等仿真結果。 關鍵物理量的提取： 如何從仿真結果中提取關鍵物理量，如傳輸效率、反射率、散射截麵、光強分布、相移等。 與理論預測和實驗數據的對比： 強調結果驗證的重要性，包括與解析解（如果存在）、近似理論模型以及實驗數據的對比，以評估仿真方法的準確性。 誤差分析與不確定性評估： 如何對仿真結果進行誤差分析，並評估計算結果的不確定性。 常見問題與挑戰： 計算資源限製： 如何在高精度和計算資源之間取得平衡。 復雜結構建模： 如何處理具有精細結構的復雜幾何形狀。 多物理場耦閤： 簡要提及如何處理與熱、機械等其他物理場耦閤的光波傳輸問題。 算法的選擇與權衡： 如何根據具體的仿真任務選擇最閤適的數值方法。 第四部分：前沿應用與未來展望 本書的最後一章將視角投嚮瞭光波傳輸數值仿真的前沿應用領域，並對未來的發展方嚮進行展望，激發讀者的創新思維。 光子晶體與超材料： 介紹如何利用數值模擬來設計和優化具有特殊光學功能的周期性結構和人工結構，如光子帶隙、負摺射率材料等。 微納光學器件設計： 探討數值仿真在設計光波導、光柵耦閤器、乾涉儀、透鏡、全息圖等微納光學器件中的關鍵作用。 生物光學與醫學成像： 介紹光波在生物組織中的傳播模擬，以及在激光治療、熒光成像、光學相乾層析成像（OCT）等醫學應用中的潛力。 散射介質中的光傳播： 探討如何在復雜散射介質（如霧、雲、血液）中模擬光波的傳播，以及在遙感、成像等領域的應用。 量子光學與光子信息： 簡要提及光波傳輸數值仿真在量子通信、量子計算等領域的潛在應用。 新算法與技術發展： 展望未來可能齣現的新型數值算法、機器學習在仿真中的應用，以及高性能計算的進一步發展對光波傳輸模擬的推動作用。 《光波傳輸數值仿真》力求做到內容全麵、講解深入、理論與實踐相結閤，希望能為讀者提供一條通往理解和掌握光波傳輸模擬技術的清晰路徑，並激發他們在該領域的進一步探索和創新。

評分☆☆☆☆☆

當我看到《光波傳輸數值仿真》這本書名時，我的腦海裏立刻浮現齣物理課本上那些優美的波動方程，以及對光學現象的各種理論解釋。然而，我總覺得這些理論在應用於復雜場景時，總會遇到一些難以解決的難題，比如光在不規則介質中的傳播，或者復雜的衍射圖案的精確計算。這本書名恰恰點齣瞭“數值仿真”這個關鍵點，它似乎提供瞭一條將抽象理論轉化為具體可執行計算的橋梁。我非常好奇，書中會用什麼樣的數學工具來離散化這些連續的波動方程，是有限差分、有限元，還是其他更高級的方法？而且，對於那些具有挑戰性的邊界條件，比如非均勻介質或者復雜的光源，書中會提供怎樣的處理技巧？我最期待的，是能夠在這本書中看到一些關於如何構建仿真模型，以及如何解讀仿真結果的指導。如果書中能包含一些實際的項目案例，比如模擬激光與材料的相互作用，或者分析光信號在復雜光縴網絡中的傳輸，那將極大地增強我對這本書的價值判斷。

評分☆☆☆☆☆

這本《光波傳輸數值仿真》的書名，首先就勾起瞭我對光學領域裏那些抽象理論如何與實際計算相結閤的好奇。我一直覺得，光學，特彆是光波的傳播，本身就是一個充滿數學美和物理奧秘的學科。但要真正掌握它，光靠理論推導是遠遠不夠的，我們往往需要藉助於強大的數值計算工具來模擬和理解那些復雜的現象。這本書的書名直接點明瞭這一點，暗示瞭它會帶領讀者深入到如何通過編程和算法來“看見”光波的行蹤，這讓我充滿瞭期待。我設想，書中可能會詳細介紹各種經典的數值仿真方法，比如有限元法（FEM）、時域有限差分法（FDTD）或者角譜法等等。我特彆想知道，作者會以一種什麼樣的邏輯來組織這些內容，是按照方法的成熟度、應用範圍，還是從最基礎的波動方程齣發，逐步引入不同的數值離散技術？而且，在講解每種方法的時候，是否會結閤具體的物理場景，比如光在不同介質中的傳播、衍射、乾涉，甚至是光縴通信中的信號傳輸？我尤其關心，這本書會不會提供一些實際的代碼示例，哪怕是僞代碼，能夠讓我快速理解算法的實現細節，並且能夠自己動手去嘗試。如果這本書能夠在我閱讀完後，讓我對“光波在三維空間中如何演化”有一個直觀且深刻的認識，那麼它就值迴票價瞭。

評分☆☆☆☆☆

說實話，拿到《光波傳輸數值仿真》這本書，我的第一反應是它會不會太過學術化，晦澀難懂。畢竟，數值仿真往往伴隨著大量的數學公式和編程概念，這對於非專業齣身的我來說，可能會有一定的門檻。但是，當我翻開書頁，看到作者似乎從一個非常基礎的物理概念齣發，解釋瞭光波傳播的本質，然後纔慢慢引入數值模擬的必要性，這讓我大大鬆瞭一口氣。我瞭解到，書中可能並沒有直接跳到復雜的算法，而是先建立瞭一個堅實的物理直覺，比如從麥剋斯韋方程組的簡化形式開始，然後解釋為什麼我們不能輕易地求解這些方程，從而引齣數值模擬的價值。我非常欣賞這種循序漸進的講解方式，它不像有些書那樣上來就甩一堆公式，而是試圖讓讀者理解“為什麼”需要數值仿真。而且，我注意到書中還用瞭一些圖示和動畫的描述（即使隻是文字描述），來幫助我理解一些空間離散化的過程，比如網格劃分、邊界條件的處理等等。這些細節讓我覺得，作者是真正站在讀者的角度去思考問題的，希望能將這個相對復雜的領域變得更易於接受。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計簡潔而專業，書名《光波傳輸數值仿真》也讓我立刻聯想到其內容可能涉及的精確性和計算的嚴謹性。我一直對計算機如何模擬物理現象感到著迷，尤其是像光波這樣肉眼不可見但又無處不在的能量傳播。我希望這本書能夠深入淺齣地講解如何將光學中的抽象概念，例如波長、頻率、振幅、相位，以及像衍射、反射、摺射等現象，轉化為計算機可以理解和處理的數值模型。我很想知道，書中會如何處理不同材料的摺射率變化，以及復雜幾何形狀物體對光波傳播的影響。我期待書中能夠展示一些通過數值仿真得到的令人驚嘆的光波傳播圖景，比如光束在微透鏡陣列中的聚焦，或者在散射介質中的擴散行為。此外，我一直對一些前沿的光學技術，如光子晶體、超材料中的光波控製很感興趣，這本書是否有能力幫助我理解這些復雜結構是如何通過數值仿真來設計的，這會是它的一大亮點。

評分☆☆☆☆☆

我買這本書的主要目的是想提升自己在光波傳輸仿真方麵的技能，特彆是針對一些實際工程應用場景。我從事的工作經常需要處理光路設計和優化的問題，而理論計算往往難以覆蓋所有復雜情況。因此，我迫切希望這本書能提供一些實用的方法和工具。我重點關注書中是否會介紹常用的仿真軟件，比如Lumerical, COMSOL, 或者MATLAB Photonics Toolbox等，並提供一些基於這些軟件的案例分析。我希望作者能夠分享一些在實際應用中遇到的挑戰以及如何通過數值仿真來解決這些挑戰的經驗。例如，在設計高精度光學儀器時，如何考慮雜散光的影響？在開發新型光電器件時，如何評估其性能？這些都是我在工作中經常會遇到的問題，如果這本書能提供一些切實可行的解決方案，那將對我非常有幫助。我同時也希望書中能夠討論不同仿真方法的優缺點，以及在特定問題中如何選擇最閤適的仿真策略，這對於提高仿真效率和準確性至關重要。