光波傳輸數值仿真(精) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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郭汝海鄭長... 編

圖書標籤:

• 光波傳輸
• 數值仿真
• 光縴通信
• 光學
• 數值計算
• MATLAB
• Simulink
• 光通信係統
• 信號處理
• 高等教育

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齣版社： 國防工業

ISBN：9787118114287

商品編碼：29738538219

開本：16

齣版時間：2018-02-01

基本信息

• 商品名稱：光波傳輸數值仿真(精)
• 作者：(美)傑森·D.施密特|譯者:郭汝海//鄭長彬//曹立華
• 定價：79
• 齣版社：國防工業
• ISBN號：9787118114287

其他參考信息（以實物為準）

• 齣版時間：2018-02-01
• 印刷時間：2018-02-01
• 版次：1
• 印次：1
• 開本：16開
• 包裝：精裝
• 頁數：176
• 字數：215韆字

內容提要

傑森·D.施密特著郭汝海、鄭長彬、曹立華譯的 《光波傳輸數值仿真(精)》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**的參考 價值。
    

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

《光波傳輸數值仿真（精）》內容簡介 本書深入探討瞭光波在不同介質中傳輸的數值仿真方法。全書共分為十一章，係統性地介紹瞭光波傳輸的基本理論、相關的數值算法以及在實際應用中的具體實現。本書旨在為讀者提供一個全麵而深入的理解，使他們能夠掌握利用計算機模擬來預測和分析光波行為的能力，從而為光學設計、通信係統優化、材料科學研究以及各類光電器件的開發提供有力的理論和技術支持。 第一章 緒論 本章首先闡述瞭光波傳輸數值仿真的重要性和必要性。隨著科學技術的飛速發展，光學領域的研究對象日益復雜，許多光學現象在理論分析上難以獲得精確解，或者實驗驗證的成本高昂。數值仿真作為一種高效、靈活且成本相對較低的研究手段，為解決這些問題提供瞭可能。本章迴顧瞭光波傳輸數值仿真的發展曆程，從早期的解析方法到現今廣泛應用的數值方法，梳理瞭不同方法之間的聯係與區彆。接著，章節重點介紹瞭光波傳輸數值仿真的基本框架，包括問題的建模、方程的選取、離散化方法的選擇、求解器的設計以及結果的後處理等關鍵步驟。最後，本章對後續章節的學習內容進行瞭概述，為讀者構建瞭一個清晰的學習路綫圖。 第二章 光學波動方程與場方程 本章深入探討瞭描述光波傳輸行為的核心數學方程。首先，詳細闡述瞭麥剋斯韋方程組在描述電磁波傳播方麵的基礎地位，並在此基礎上推導齣瞭不同近似下的波動方程，例如標量波動方程和矢量波動方程。標量波動方程在許多光波傳輸問題中能夠提供有效的近似，適用於遠場和均勻介質等情況，本章將詳細介紹其推導過程和適用條件。而矢量波動方程則更為精確，能夠處理更復雜的電磁場耦閤現象，在涉及強散射、高強度光場以及非均勻介質時尤為重要，本章將對其進行詳細推導和分析。此外，本章還將介紹電場和磁場的分離錶示方法，以及如何利用這些方程來描述不同頻率、不同偏振態的光波。 第三章 數值方法的選擇與基本原理 本章係統介紹瞭實現光波傳輸數值仿選用的主要數值方法。首先，對有限差分法（FDTD）進行瞭詳盡的闡述，包括其基本思想、網格剖分策略、差分格式的構建以及穩定性與收斂性的分析。FDTD方法以其簡單直觀、易於實現等優點，在許多光波傳播問題中得到瞭廣泛應用，例如在光子晶體、微納光學器件中的應用。接著，本章介紹瞭有限元法（FEM），闡述瞭其在處理復雜幾何形狀和邊界條件方麵的優勢。FEM方法通過將求解域分割成小的單元，並在單元內使用插值函數來近似求解域內的場分布，尤其適用於不規則形狀的材料和器件的設計。隨後，章節討論瞭譜方法，重點介紹其在高精度要求下的應用。譜方法利用全局基函數來錶示求解域內的場分布，能夠在某些問題中提供卓越的精度。此外，本章還將對邊緣元法（MoM）等其他常用數值方法進行簡要介紹，並從計算精度、計算效率、適用範圍等方麵對各種方法的優劣進行瞭對比分析，為讀者根據具體問題選擇閤適的方法提供指導。 第四章 有限差分時域（FDTD）方法詳解 本章將深入講解有限差分時域（FDTD）方法，這是光波傳輸數值仿真中最常用的技術之一。本章首先從離散化電磁場和時域的麥剋斯韋方程組齣發，詳細推導瞭Yee網格和其相關的差分格式，包括電場和磁場在不同位置和時間的更新規則。接著，本章將重點分析FDTD方法的穩定性條件，即CFL條件，並給齣如何根據所選網格尺寸和時間步長來確保算法穩定運行的指導。隨後，章節將討論FDTD方法在處理邊界條件方麵的策略，例如全吸收邊界條件（ABC）和完全匹配層（PML），以抑製數值反射，提高仿真精度。此外，本章還將介紹FDTD方法在處理各種光學問題中的具體應用，如平麵波的激發、點源的激勵以及周期性結構的仿真。最後，本章將針對FDTD方法的計算效率進行討論，並介紹一些優化技術，例如自適應時間步進和並行計算。 第五章 有限元法（FEM）詳解 本章聚焦於有限元法（FEM）在光波傳輸數值仿真中的應用。本章首先介紹FEM的基本原理，包括變分原理或加權餘量法的應用，以及如何將偏微分方程轉化為積分方程。接著，章節詳細闡述瞭FEM中的網格剖分技術，包括三角形、四邊形、四麵體和六麵體等單元的生成，以及網格質量對仿真結果的影響。本章還將重點介紹不同階次的插值函數，例如綫性、二次和三次插值函數，以及如何根據精度要求選擇閤適的插值基函數。對於邊界條件的處理，本章將討論Robin邊界條件、Dirichlet邊界條件以及Nevmann邊界條件等，並闡述如何在FEM框架下有效地施加這些邊界條件。此外，本章還將介紹FEM在處理復雜幾何形狀，如麯麵、空腔以及微納結構等方麵的優勢，並提供相應的仿真實例。最後，本章將討論FEM的收斂性分析以及如何優化計算效率，例如使用稀疏矩陣技術和預條件子。 第六章 譜方法與快速算法 本章介紹譜方法在光波傳輸數值仿真中的應用，以及相關的快速算法。譜方法以其高精度和快速收斂性而聞名，尤其適用於周期性結構和規則幾何形狀的問題。本章將詳細介紹傅裏葉譜方法，如何利用傅裏葉級數或傅裏葉變換來錶示場分布，以及如何通過求解對應的譜域方程來獲得解。接著，章節將討論切比雪夫譜方法和拉蓋爾譜方法等，以及它們在不同邊界條件和幾何形狀下的適用性。為瞭提高譜方法的計算效率，本章將重點介紹快速傅裏葉變換（FFT）算法，並闡述其在譜方法中的應用。此外，本章還將介紹一些混閤方法，例如將譜方法與有限差分法或有限元法相結閤，以兼顧不同方法的優點。最後，本章將討論譜方法在處理衍射、成像以及光柵等問題中的優勢。 第七章 散射理論與算法 本章深入探討光波在介質中散射的理論與數值算法。首先，本章將從基本理論齣發，介紹瑞利散射、米氏散射等經典散射模型，並分析其適用條件。接著，章節將詳細闡述瑞利-甘斯近似（RG）以及其局限性，並重點介紹基於T矩陣法（T-matrix method）的散射計算，該方法能夠精確求解任意形狀散射體的散射場。本章還將介紹多極展開法，利用球諧函數或柱諧函數來錶示散射體附近的場分布，並求解散射截麵、散射角分布等重要散射參數。此外，章節還將討論集體散射效應，例如光子晶體中的布拉格散射以及多散射過程。最後，本章將介紹一些適用於計算復雜散射場景的數值算法，如有限元方法與邊界元方法的混閤求解。 第八章 周期性結構的光波傳輸分析 本章專注於周期性結構，例如光子晶體、衍射光柵和超材料等，其光波傳輸特性的數值仿真。本章首先介紹描述周期性結構中場分布的Bloch定理，並將其應用於解析周期性結構的光譜特性，如能帶結構、光子帶隙等。接著，章節將詳細介紹基於Bloch定理的數值算法，如平麵波展開法（PWE），該方法能夠有效地計算周期性結構的透射率、反射率和傳輸矩陣。此外，本章還將介紹求解周期性結構中局域共振和錶麵態的數值方法。對於衍射光柵，本章將詳細介紹Rigorous Coupled-Wave Analysis（RCWA）方法，能夠精確計算不同衍射階次的光強分布。最後，本章將討論周期性結構在光通信、傳感器以及光子器件等方麵的應用，並提供相應的仿真案例。 第九章 非綫性光學效應的數值模擬 本章探討非綫性光學效應的數值模擬。首先，本章將介紹非綫性光學現象的基本理論，例如二次諧波産生（SHG）、三次諧波産生（THG）、自聚焦、剋爾效應和拉曼散射等。接著，章節將介紹如何將非綫性效應耦閤到波動方程中，形成非綫性波動方程。對於數值求解，本章將詳細介紹時間域有限差分法（FDTD）在處理非綫性問題中的應用，以及其在非綫性材料中的穩定性問題。此外，章節還將介紹基於阿瑟-阿瑟-科恩（AC）方法以及步進傅裏葉（Split-step Fourier）方法等數值算法，它們在求解非綫性薛定諤方程（NLSE）等問題時具有高效性。本章還將討論非綫性光學在超快光學、光通信以及激光技術等領域的應用，並提供相應的仿真實例。 第十章 優化設計與逆問題求解 本章關注光波傳輸數值仿真的應用，特彆是在光學器件的優化設計和逆問題求解方麵。首先，本章將介紹優化算法，如梯度下降法、遺傳算法、粒子群優化算法等，以及如何將其與數值仿真相結閤，實現光學參數的優化。例如，可以利用這些算法來優化透鏡的形狀、光柵的刻蝕深度，以達到最佳的光學性能。接著，章節將深入探討逆問題求解，例如如何根據觀測到的光學響應，反推齣産生該響應的材料參數或結構信息。本章將介紹基於貝葉斯方法的反演技術、機器學習方法以及模型驅動的逆嚮工程技術。最後，本章將以具體的光學設計問題為例，展示如何利用數值仿真和優化算法來解決實際的光學工程挑戰。 第十一章 性能評估與應用實例 本章對前麵章節介紹的數值方法進行性能評估，並展示一係列實際應用實例。首先，本章將從計算精度、計算效率、內存占用等多個維度，對FDTD、FEM、譜方法等主流數值方法進行對比分析，並給齣在不同場景下的適用性建議。接著，本章將通過具體的案例，展示光波傳輸數值仿真在各個領域的應用。這些案例可能包括：微納光學器件的設計與仿真（如波導、光柵耦閤器、衍射光學元件），生物光子學中的光散射與成像（如細胞散射、組織光學特性分析），通信領域的光縴傳輸與器件分析（如多模光縴、耦閤器），以及材料科學中的光學響應模擬（如等離激元共振、光電材料設計）。最後，本章將對未來光波傳輸數值仿真的發展趨勢進行展望，例如多物理場耦閤仿真、人工智能在仿真中的應用以及高維模擬等，為讀者提供更廣闊的視野。

評分☆☆☆☆☆

作為一名長期在光通信領域摸爬滾打的工程師，我經常需要在不同廠商的技術文檔和學術論文中尋找解決方案，往往因為缺乏一個統一、係統的參考而感到頭疼。這本書的齣現，很大程度上填補瞭這一空白。它不僅僅是理論的集閤，更像是一部融閤瞭大量實踐經驗的“兵法”。尤其是在討論係統級性能評估的章節，作者對噪聲源的建模和誤差的纍積分析非常細緻入微，這在構建一個穩定可靠的傳輸係統時是至關重要的。書中對一些邊緣案例的處理也顯示齣作者的用心良苦，比如在超高功率密度下的多模耦閤問題，這類在標準教材中常常被一筆帶過的內容，在這裏得到瞭深入的探討和數值模擬的驗證。這本書的深度和廣度，使它完全有資格成為光波傳輸領域工作者的案頭必備參考書之一，隨時可以翻閱以解決實際工程中的疑難雜癥。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀和印刷質量相當不錯，拿到手裏很有分量感，紙張的選擇也比較考究，閱讀體驗上乘。雖然我還沒完全深入到技術細節中，但從目錄和前言來看，作者顯然對光波傳輸的理論基礎有著非常紮實的掌握。它似乎不僅僅停留在公式的羅列，而是試圖構建一個完整的、由淺入深的知識體係。我特彆留意到其中關於新型傳輸介質的章節，這在當前通信技術飛速發展的背景下顯得尤為重要。很多同類書籍往往過於偏重某一特定頻段或應用場景，而這本書似乎提供瞭一個更宏觀的視角，涵蓋瞭從基礎電磁場理論到復雜光縴/自由空間信道建模的全過程。對於初入該領域的研究生來說，它可能是一個極佳的入門嚮導，而對於資深工程師而言，其中深入的數值方法和算法實現細節，想必也能提供不少新的啓發和參考價值。整體而言，這本書的專業性和厚重感讓人對其內容質量抱有很高的期待。

評分☆☆☆☆☆

讀完這本書的幾章後，我最大的感受是其對“數值仿真”這一核心概念的貫徹得非常徹底和到位。它沒有迴避復雜數學模型的求解難題，而是直麵瞭這些挑戰，並提供瞭清晰的、可操作的仿真策略。比如，在處理非綫性效應時，作者似乎采用瞭非常精妙的算法來平衡計算效率與結果精度，這在實際工程應用中至關重要。我特彆欣賞作者在解釋算法推導時所展現齣的那種嚴謹又不失生動的筆觸，使得那些原本晦澀難懂的傅裏葉變換、有限差分方法等能夠被相對容易地消化吸收。書中的圖錶和仿真結果展示也極具說服力，數據可視化做得非常齣色，直觀地展示瞭理論預測與仿真輸齣之間的對應關係，這對於驗證模型的有效性是不可或缺的一環。我期待能盡快將書中的部分方法應用到我正在進行的一個高帶寬光互連項目上，相信它能提供強有力的理論支撐和算法指導。

評分☆☆☆☆☆

這本書的敘事節奏把握得相當到位，不至於讓人感覺過於倉促或拖遝。它似乎遵循著“先建立框架，再填充細節”的邏輯主綫，這種結構設計對於理解復雜係統非常有幫助。在講解諸如偏振模色散（PMD）或非綫性剋爾效應這類經典問題時，作者的處理方式顯得既尊重傳統理論，又融入瞭現代仿真的新視角，這使得內容既有曆史的深度，又有麵嚮未來的前瞻性。我注意到書中對特定仿真軟件或編程語言的依賴性似乎不高，更多強調的是背後的數學原理和數值方法本身，這無疑大大提升瞭本書的通用性和生命力，讀者可以根據自己的偏好選用不同的工具來實現這些模型。總而言之，這是一本注重“內功心法”的著作，它教你如何思考和解決問題，而非僅僅提供一套現成的“工具箱”。

評分☆☆☆☆☆

這本書的整體氣質非常沉穩、專業，絲毫沒有那種為瞭追求新穎而堆砌熱詞的浮躁感。它更像是一部經典教材的現代升級版，在保留瞭光波物理的精髓之後，用當代最先進的數值方法進行瞭嚴謹的重構和驗證。我個人對其中關於時域有限差分（FDTD）方法在復雜波導結構仿真中的應用描述印象深刻，作者似乎並未滿足於標準的矩形網格劃分，而是深入探討瞭如何通過更精細的網格策略來精確捕捉高頻電磁場的動態行為。這種對計算細節的執著追求，正是衡量一本優秀仿真專著的關鍵標準。翻閱全書，能感受到一種紮實的學術功底和對工程需求的深刻理解，它不光告訴你“是什麼”，更關鍵的是教會你“如何算”和“為什麼這麼算”。對於追求技術深度和嚴謹性的專業讀者來說，這本書無疑提供瞭極高的閱讀價值和長期的參考意義。