光波传输数值仿真(精) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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郭汝海郑长... 编

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出版社： 国防工业

ISBN：9787118114287

商品编码：29738538219

开本：16

出版时间：2018-02-01

基本信息

• 商品名称：光波传输数值仿真(精)
• 作者：(美)杰森·D.施密特|译者:郭汝海//郑长彬//曹立华
• 定价：79
• 出版社：国防工业
• ISBN号：9787118114287

其他参考信息（以实物为准）

• 出版时间：2018-02-01
• 印刷时间：2018-02-01
• 版次：1
• 印次：1
• 开本：16开
• 包装：精装
• 页数：176
• 字数：215千字

内容提要

杰森·D.施密特著郭汝海、郑长彬、曹立华译的 《光波传输数值仿真(精)》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**的参考 价值。
    

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

《光波传输数值仿真（精）》内容简介 本书深入探讨了光波在不同介质中传输的数值仿真方法。全书共分为十一章，系统性地介绍了光波传输的基本理论、相关的数值算法以及在实际应用中的具体实现。本书旨在为读者提供一个全面而深入的理解，使他们能够掌握利用计算机模拟来预测和分析光波行为的能力，从而为光学设计、通信系统优化、材料科学研究以及各类光电器件的开发提供有力的理论和技术支持。 第一章 绪论 本章首先阐述了光波传输数值仿真的重要性和必要性。随着科学技术的飞速发展，光学领域的研究对象日益复杂，许多光学现象在理论分析上难以获得精确解，或者实验验证的成本高昂。数值仿真作为一种高效、灵活且成本相对较低的研究手段，为解决这些问题提供了可能。本章回顾了光波传输数值仿真的发展历程，从早期的解析方法到现今广泛应用的数值方法，梳理了不同方法之间的联系与区别。接着，章节重点介绍了光波传输数值仿真的基本框架，包括问题的建模、方程的选取、离散化方法的选择、求解器的设计以及结果的后处理等关键步骤。最后，本章对后续章节的学习内容进行了概述，为读者构建了一个清晰的学习路线图。 第二章 光学波动方程与场方程 本章深入探讨了描述光波传输行为的核心数学方程。首先，详细阐述了麦克斯韦方程组在描述电磁波传播方面的基础地位，并在此基础上推导出了不同近似下的波动方程，例如标量波动方程和矢量波动方程。标量波动方程在许多光波传输问题中能够提供有效的近似，适用于远场和均匀介质等情况，本章将详细介绍其推导过程和适用条件。而矢量波动方程则更为精确，能够处理更复杂的电磁场耦合现象，在涉及强散射、高强度光场以及非均匀介质时尤为重要，本章将对其进行详细推导和分析。此外，本章还将介绍电场和磁场的分离表示方法，以及如何利用这些方程来描述不同频率、不同偏振态的光波。 第三章 数值方法的选择与基本原理 本章系统介绍了实现光波传输数值仿选用的主要数值方法。首先，对有限差分法（FDTD）进行了详尽的阐述，包括其基本思想、网格剖分策略、差分格式的构建以及稳定性与收敛性的分析。FDTD方法以其简单直观、易于实现等优点，在许多光波传播问题中得到了广泛应用，例如在光子晶体、微纳光学器件中的应用。接着，本章介绍了有限元法（FEM），阐述了其在处理复杂几何形状和边界条件方面的优势。FEM方法通过将求解域分割成小的单元，并在单元内使用插值函数来近似求解域内的场分布，尤其适用于不规则形状的材料和器件的设计。随后，章节讨论了谱方法，重点介绍其在高精度要求下的应用。谱方法利用全局基函数来表示求解域内的场分布，能够在某些问题中提供卓越的精度。此外，本章还将对边缘元法（MoM）等其他常用数值方法进行简要介绍，并从计算精度、计算效率、适用范围等方面对各种方法的优劣进行了对比分析，为读者根据具体问题选择合适的方法提供指导。 第四章 有限差分时域（FDTD）方法详解 本章将深入讲解有限差分时域（FDTD）方法，这是光波传输数值仿真中最常用的技术之一。本章首先从离散化电磁场和时域的麦克斯韦方程组出发，详细推导了Yee网格和其相关的差分格式，包括电场和磁场在不同位置和时间的更新规则。接着，本章将重点分析FDTD方法的稳定性条件，即CFL条件，并给出如何根据所选网格尺寸和时间步长来确保算法稳定运行的指导。随后，章节将讨论FDTD方法在处理边界条件方面的策略，例如全吸收边界条件（ABC）和完全匹配层（PML），以抑制数值反射，提高仿真精度。此外，本章还将介绍FDTD方法在处理各种光学问题中的具体应用，如平面波的激发、点源的激励以及周期性结构的仿真。最后，本章将针对FDTD方法的计算效率进行讨论，并介绍一些优化技术，例如自适应时间步进和并行计算。 第五章 有限元法（FEM）详解 本章聚焦于有限元法（FEM）在光波传输数值仿真中的应用。本章首先介绍FEM的基本原理，包括变分原理或加权余量法的应用，以及如何将偏微分方程转化为积分方程。接着，章节详细阐述了FEM中的网格剖分技术，包括三角形、四边形、四面体和六面体等单元的生成，以及网格质量对仿真结果的影响。本章还将重点介绍不同阶次的插值函数，例如线性、二次和三次插值函数，以及如何根据精度要求选择合适的插值基函数。对于边界条件的处理，本章将讨论Robin边界条件、Dirichlet边界条件以及Nevmann边界条件等，并阐述如何在FEM框架下有效地施加这些边界条件。此外，本章还将介绍FEM在处理复杂几何形状，如曲面、空腔以及微纳结构等方面的优势，并提供相应的仿真实例。最后，本章将讨论FEM的收敛性分析以及如何优化计算效率，例如使用稀疏矩阵技术和预条件子。 第六章 谱方法与快速算法 本章介绍谱方法在光波传输数值仿真中的应用，以及相关的快速算法。谱方法以其高精度和快速收敛性而闻名，尤其适用于周期性结构和规则几何形状的问题。本章将详细介绍傅里叶谱方法，如何利用傅里叶级数或傅里叶变换来表示场分布，以及如何通过求解对应的谱域方程来获得解。接着，章节将讨论切比雪夫谱方法和拉盖尔谱方法等，以及它们在不同边界条件和几何形状下的适用性。为了提高谱方法的计算效率，本章将重点介绍快速傅里叶变换（FFT）算法，并阐述其在谱方法中的应用。此外，本章还将介绍一些混合方法，例如将谱方法与有限差分法或有限元法相结合，以兼顾不同方法的优点。最后，本章将讨论谱方法在处理衍射、成像以及光栅等问题中的优势。 第七章 散射理论与算法 本章深入探讨光波在介质中散射的理论与数值算法。首先，本章将从基本理论出发，介绍瑞利散射、米氏散射等经典散射模型，并分析其适用条件。接着，章节将详细阐述瑞利-甘斯近似（RG）以及其局限性，并重点介绍基于T矩阵法（T-matrix method）的散射计算，该方法能够精确求解任意形状散射体的散射场。本章还将介绍多极展开法，利用球谐函数或柱谐函数来表示散射体附近的场分布，并求解散射截面、散射角分布等重要散射参数。此外，章节还将讨论集体散射效应，例如光子晶体中的布拉格散射以及多散射过程。最后，本章将介绍一些适用于计算复杂散射场景的数值算法，如有限元方法与边界元方法的混合求解。 第八章 周期性结构的光波传输分析 本章专注于周期性结构，例如光子晶体、衍射光栅和超材料等，其光波传输特性的数值仿真。本章首先介绍描述周期性结构中场分布的Bloch定理，并将其应用于解析周期性结构的光谱特性，如能带结构、光子带隙等。接着，章节将详细介绍基于Bloch定理的数值算法，如平面波展开法（PWE），该方法能够有效地计算周期性结构的透射率、反射率和传输矩阵。此外，本章还将介绍求解周期性结构中局域共振和表面态的数值方法。对于衍射光栅，本章将详细介绍Rigorous Coupled-Wave Analysis（RCWA）方法，能够精确计算不同衍射阶次的光强分布。最后，本章将讨论周期性结构在光通信、传感器以及光子器件等方面的应用，并提供相应的仿真案例。 第九章 非线性光学效应的数值模拟 本章探讨非线性光学效应的数值模拟。首先，本章将介绍非线性光学现象的基本理论，例如二次谐波产生（SHG）、三次谐波产生（THG）、自聚焦、克尔效应和拉曼散射等。接着，章节将介绍如何将非线性效应耦合到波动方程中，形成非线性波动方程。对于数值求解，本章将详细介绍时间域有限差分法（FDTD）在处理非线性问题中的应用，以及其在非线性材料中的稳定性问题。此外，章节还将介绍基于阿瑟-阿瑟-科恩（AC）方法以及步进傅里叶（Split-step Fourier）方法等数值算法，它们在求解非线性薛定谔方程（NLSE）等问题时具有高效性。本章还将讨论非线性光学在超快光学、光通信以及激光技术等领域的应用，并提供相应的仿真实例。 第十章 优化设计与逆问题求解 本章关注光波传输数值仿真的应用，特别是在光学器件的优化设计和逆问题求解方面。首先，本章将介绍优化算法，如梯度下降法、遗传算法、粒子群优化算法等，以及如何将其与数值仿真相结合，实现光学参数的优化。例如，可以利用这些算法来优化透镜的形状、光栅的刻蚀深度，以达到最佳的光学性能。接着，章节将深入探讨逆问题求解，例如如何根据观测到的光学响应，反推出产生该响应的材料参数或结构信息。本章将介绍基于贝叶斯方法的反演技术、机器学习方法以及模型驱动的逆向工程技术。最后，本章将以具体的光学设计问题为例，展示如何利用数值仿真和优化算法来解决实际的光学工程挑战。 第十一章 性能评估与应用实例 本章对前面章节介绍的数值方法进行性能评估，并展示一系列实际应用实例。首先，本章将从计算精度、计算效率、内存占用等多个维度，对FDTD、FEM、谱方法等主流数值方法进行对比分析，并给出在不同场景下的适用性建议。接着，本章将通过具体的案例，展示光波传输数值仿真在各个领域的应用。这些案例可能包括：微纳光学器件的设计与仿真（如波导、光栅耦合器、衍射光学元件），生物光子学中的光散射与成像（如细胞散射、组织光学特性分析），通信领域的光纤传输与器件分析（如多模光纤、耦合器），以及材料科学中的光学响应模拟（如等离激元共振、光电材料设计）。最后，本章将对未来光波传输数值仿真的发展趋势进行展望，例如多物理场耦合仿真、人工智能在仿真中的应用以及高维模拟等，为读者提供更广阔的视野。

评分☆☆☆☆☆

这本书的整体气质非常沉稳、专业，丝毫没有那种为了追求新颖而堆砌热词的浮躁感。它更像是一部经典教材的现代升级版，在保留了光波物理的精髓之后，用当代最先进的数值方法进行了严谨的重构和验证。我个人对其中关于时域有限差分（FDTD）方法在复杂波导结构仿真中的应用描述印象深刻，作者似乎并未满足于标准的矩形网格划分，而是深入探讨了如何通过更精细的网格策略来精确捕捉高频电磁场的动态行为。这种对计算细节的执着追求，正是衡量一本优秀仿真专著的关键标准。翻阅全书，能感受到一种扎实的学术功底和对工程需求的深刻理解，它不光告诉你“是什么”，更关键的是教会你“如何算”和“为什么这么算”。对于追求技术深度和严谨性的专业读者来说，这本书无疑提供了极高的阅读价值和长期的参考意义。

评分☆☆☆☆☆

读完这本书的几章后，我最大的感受是其对“数值仿真”这一核心概念的贯彻得非常彻底和到位。它没有回避复杂数学模型的求解难题，而是直面了这些挑战，并提供了清晰的、可操作的仿真策略。比如，在处理非线性效应时，作者似乎采用了非常精妙的算法来平衡计算效率与结果精度，这在实际工程应用中至关重要。我特别欣赏作者在解释算法推导时所展现出的那种严谨又不失生动的笔触，使得那些原本晦涩难懂的傅里叶变换、有限差分方法等能够被相对容易地消化吸收。书中的图表和仿真结果展示也极具说服力，数据可视化做得非常出色，直观地展示了理论预测与仿真输出之间的对应关系，这对于验证模型的有效性是不可或缺的一环。我期待能尽快将书中的部分方法应用到我正在进行的一个高带宽光互连项目上，相信它能提供强有力的理论支撑和算法指导。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事节奏把握得相当到位，不至于让人感觉过于仓促或拖沓。它似乎遵循着“先建立框架，再填充细节”的逻辑主线，这种结构设计对于理解复杂系统非常有帮助。在讲解诸如偏振模色散（PMD）或非线性克尔效应这类经典问题时，作者的处理方式显得既尊重传统理论，又融入了现代仿真的新视角，这使得内容既有历史的深度，又有面向未来的前瞻性。我注意到书中对特定仿真软件或编程语言的依赖性似乎不高，更多强调的是背后的数学原理和数值方法本身，这无疑大大提升了本书的通用性和生命力，读者可以根据自己的偏好选用不同的工具来实现这些模型。总而言之，这是一本注重“内功心法”的著作，它教你如何思考和解决问题，而非仅仅提供一套现成的“工具箱”。

评分☆☆☆☆☆

作为一名长期在光通信领域摸爬滚打的工程师，我经常需要在不同厂商的技术文档和学术论文中寻找解决方案，往往因为缺乏一个统一、系统的参考而感到头疼。这本书的出现，很大程度上填补了这一空白。它不仅仅是理论的集合，更像是一部融合了大量实践经验的“兵法”。尤其是在讨论系统级性能评估的章节，作者对噪声源的建模和误差的累积分析非常细致入微，这在构建一个稳定可靠的传输系统时是至关重要的。书中对一些边缘案例的处理也显示出作者的用心良苦，比如在超高功率密度下的多模耦合问题，这类在标准教材中常常被一笔带过的内容，在这里得到了深入的探讨和数值模拟的验证。这本书的深度和广度，使它完全有资格成为光波传输领域工作者的案头必备参考书之一，随时可以翻阅以解决实际工程中的疑难杂症。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和印刷质量相当不错，拿到手里很有分量感，纸张的选择也比较考究，阅读体验上乘。虽然我还没完全深入到技术细节中，但从目录和前言来看，作者显然对光波传输的理论基础有着非常扎实的掌握。它似乎不仅仅停留在公式的罗列，而是试图构建一个完整的、由浅入深的知识体系。我特别留意到其中关于新型传输介质的章节，这在当前通信技术飞速发展的背景下显得尤为重要。很多同类书籍往往过于偏重某一特定频段或应用场景，而这本书似乎提供了一个更宏观的视角，涵盖了从基础电磁场理论到复杂光纤/自由空间信道建模的全过程。对于初入该领域的研究生来说，它可能是一个极佳的入门向导，而对于资深工程师而言，其中深入的数值方法和算法实现细节，想必也能提供不少新的启发和参考价值。整体而言，这本书的专业性和厚重感让人对其内容质量抱有很高的期待。