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：29738563627

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）》内容详尽简介 本书是一部深度聚焦于光波传输现象及其数值仿真方法的专业著作。全书紧密围绕“光波传输”这一核心概念，结合“数值仿真”这一关键技术手段，旨在为读者提供一套系统、全面、深入的理论框架与实践指导。作者们凭借丰富的研究经验和严谨的学术态度，将复杂的物理原理与先进的计算方法相结合，力求使读者在掌握光波传输基本规律的同时，能够熟练运用数值仿真工具解决实际工程问题。 第一部分：光波传输基础理论 本部分是全书的基石，为理解后续的数值仿真方法奠定坚实的理论基础。 第一章：电磁波理论回顾与发展 本章从麦克斯韦方程组出发，系统回顾了经典电磁波理论的核心概念，包括电场、磁场、位移电流、以及它们如何相互激发形成电磁波。 详细阐述了电磁波的传播特性，如波长、频率、波数、速度、偏振等，并解释了它们在不同介质中的行为差异。 探讨了电磁波在自由空间、导电介质、介电质中的传播模式，为后续分析奠定基础。 简要介绍了衍射、干涉、反射、折射等基本光学现象的电磁场解释，以及它们对光波传输的影响。 引入了光波的概念，强调其作为一种特殊的电磁波，在光学领域的重要地位。 简要回顾了波动光学的发展历程，为进入更深入的仿真分析做好铺垫。 第二章：波动方程与传播介质模型 本章深入探讨了描述光波传输的关键数学工具——波动方程。 详细推导了从麦克斯韦方程组到标量和矢量波动方程的过程，区分了不同条件下波动方程的适用性。 着重分析了波动方程的性质，如线性、叠加原理等，并解释了这些性质在仿真中的重要性。 详细讨论了各种典型的传播介质模型，包括均匀介质、非均匀介质、各向同性介质、各向异性介质、损耗性介质以及具有非线性效应的介质。 阐述了这些介质模型如何影响光波的传播速度、衰减、以及相位变化，并通过数学公式进行量化描述。 引入了折射率、磁导率、介电常数等介质参数的概念，并分析了它们随频率、温度、应力等因素的变化规律。 探讨了界面对光波传输的影响，包括反射和透射系数的计算，以及斯涅尔定律的推导。 第三章：光波传输的基本方程与边界条件 本章进一步深化对光波传输方程的理解，并聚焦于实际问题中不可或缺的边界条件。 详细分析了标量波动方程和矢量波动方程的适用范围和各自的优点。 在矢量波动方程方面，深入探讨了亥姆霍兹方程，这是许多稳态或单色光场分析的基础。 在标量波动方程方面，重点介绍了惠更斯-菲涅尔原理，以及其在衍射理论中的应用。 详细讨论了边界条件的重要性，包括理想导体边界、理想介质边界、以及非理想边界（如粗糙表面）的处理方法。 阐述了不同边界条件下的电磁场行为，如反射、透射、散射等，并给出相应的数学表达式。 介绍了法拉第效应、克尔效应等与介质非线性相关的基本概念，为后续模型引入打下基础。 讨论了如何将具体的物理场景转化为精确的数学模型，包括定义计算域、确定源项等。 第二部分：光波传输数值仿真方法 本部分是本书的核心，详细介绍了各种主流的光波传输数值仿真技术。 第四章：有限差分时域（FDTD）方法 本章详细介绍了FDTD方法，这是目前最流行和应用最广泛的光波传输数值仿真技术之一。 从离散化麦克斯韦方程组出发，详细推导了Yee网格及其在时域上的中心差分格式。 深入分析了FDTD算法的稳定性条件（CFL条件）和精度分析，包括离散化误差的来源和控制方法。 详细介绍了FDTD方法的边界处理技术，如Perfectly Matched Layer (PML) 和 Absorbing Boundary Conditions (ABC)，以及它们的实现原理和优缺点。 探讨了FDTD方法在处理复杂几何结构、多层介质、以及二维和三维问题时的具体实现策略。 通过实例演示了FDTD方法在仿真平面波、衍射、散射、以及光波导等问题中的应用。 讨论了FDTD方法的计算效率和内存需求，以及如何通过并行计算等技术进行优化。 第五章：有限元方法（FEM） 本章系统介绍了有限元方法（FEM）在光波传输仿真中的应用。 从变分原理或加权残差法的角度出发，阐述了FEM的基本思想，即将求解域划分为一系列小的、形状简单的单元。 详细介绍了单元内基函数的选取（如多项式插值函数）以及单元方程的建立过程。 深入分析了FEM处理复杂几何形状和非均匀介质的优势，并详细阐述了如何通过网格细化提高精度。 重点介绍了FEM在求解稳态、频域问题中的应用，如求解亥姆霍兹方程，以及在处理散射和辐射问题中的优越性。 讨论了FEM在处理衍射、光栅、光子晶体等问题中的优势，以及与其他方法的对比。 介绍了FEM的边界条件处理方法，特别是如何在离散化后的方程组中体现边界约束。 分析了FEM在计算效率、内存消耗以及编程实现方面的特点。 第六章：波数域方法（包括FMM和RCWA） 本章聚焦于波数域方法，这些方法在周期性结构的光波传输仿真中具有显著优势。 详细介绍了傅里叶模态法（FMM），它通过将电磁场分解为傅里叶级数，在周期性结构中求解传播模式。 阐述了FMM如何处理光栅、多层周期结构等问题，并分析了其精度和收敛性。 深入介绍了严格耦合波分析（RCWA）方法，它是一种更通用的周期性结构分析技术，能够处理更复杂的光栅类型。 详细推导了RCWA的核心方程，并讨论了其在衍射效率计算、周期结构设计中的应用。 分析了波数域方法的计算效率，特别是在处理具有高周期性的结构时，其优势尤为明显。 讨论了这些方法在微纳光学、光子晶体、全息光学等领域的广泛应用。 对比了波数域方法与FDTD、FEM在处理周期性问题时的异同。 第七章：其他数值仿真方法与混合方法 本章对其他重要的数值仿真方法进行介绍，并探讨了混合方法的优势。 详细介绍了边界元方法（BEM），它特别适用于处理具有大空腔或开放边界的问题，能够有效减小计算域。 阐述了BEM在散射、辐射和天线设计等领域的应用。 介绍了传播模式模型（Beam Propagation Method, BPM），它是一种高效的仿真方法，适用于研究光波在长距离、低损耗导波结构中的传播。 详细分析了BPM的原理、假设条件以及在光纤、集成光学等领域的应用。 探讨了蒙特卡罗方法在光波传输中的应用，特别是对于复杂散射和吸收场景的建模。 引入了混合方法的概念，即结合不同方法的优点来解决特定问题。例如，将FEM与FDTD结合，或者将FMM与FDTD结合，以期在精度、效率或适用性上获得提升。 讨论了混合方法的设计原则、实现挑战以及应用前景。 第三部分：光波传输数值仿真应用与发展 本部分将理论和方法落到实处，展示了数值仿真的实际应用，并展望了未来的发展方向。 第八章：微纳光学器件的数值仿真 本章聚焦于将前述数值仿真方法应用于微纳光学器件的设计与分析。 详细介绍了如何使用FDTD、FEM等方法仿真光栅、衍射光学元件（DOE）、超表面（Metasurface）等器件的工作原理和性能。 阐述了在仿真过程中如何精确建模器件的几何结构、材料特性以及入射光场。 通过具体实例，如全息图、光束整形器、表面等离激元器件的仿真，展示了如何通过仿真优化器件的设计参数，以获得期望的光学响应。 讨论了周期性结构仿真中FMM和RCWA方法的优势，以及如何在仿真过程中考虑偏振效应和宽带响应。 分析了仿真结果的验证方法，包括与实验数据的对比，以及对仿真模型不确定性的讨论。 第九章：光学系统与集成光学的数值仿真 本章将仿真应用扩展到更复杂的宏观光学系统和集成光学领域。 详细介绍了如何使用数值仿真方法分析多镜片成像系统、光通信系统中的光信号传输、以及光电器件的性能。 阐述了在集成光学领域，如何仿真光波导、耦合器、调制器、分束器等器件的工作特性，以及它们之间的相互作用。 重点介绍了BPM方法在长距离波导传输仿真中的优势，以及如何分析波导损耗、模式耦合等问题。 探讨了如何利用数值仿真研究复杂的光学集成器件，例如片上光学系统（PIC）的设计与优化。 讨论了在仿真光学系统中，如何处理多次反射、散射以及各种光学效应的叠加。 第十章：非线性光学现象的数值仿真 本章深入探讨了如何使用数值仿真研究非线性光学现象。 详细介绍了如何修改波动方程或引入非线性源项来描述非线性光学效应，如自聚焦、自相位调制、二次谐波产生（SHG）、三次谐波产生（THG）等。 阐述了在FDTD、FEM等方法中，如何处理非线性材料的本构关系，以及如何求解非线性方程组。 通过实例展示了非线性薛定谔方程（NLSE）的数值求解，以及其在光孤子、超连续谱产生等方面的应用。 讨论了在非线性仿真中，如何平衡计算精度和计算成本，以及如何选择合适的步长和网格尺寸。 分析了非线性光学器件（如非线性晶体、光纤非线性器件）的设计与仿真。 第十一章：未来发展趋势与挑战 本章对光波传输数值仿真领域的未来发展趋势和面临的挑战进行了展望。 探讨了机器学习与数值仿真结合的可能性，如利用机器学习加速仿真过程、优化网格生成、或者直接预测光学响应。 讨论了高性能计算（HPC）在处理大规模、高精度仿真任务中的作用，包括GPU加速、分布式计算等。 分析了多尺度仿真（Multiscale Simulation）的必要性，即如何有效地模拟从微观材料特性到宏观器件性能的跨尺度问题。 展望了在新型材料（如超材料、二维材料）和新型光波现象（如量子光学、拓扑光学）仿真中的挑战与机遇。 强调了数值仿真在推动光学科学与工程前沿发展中的关键作用，并指出了持续研究和技术创新的重要性。 本书力求内容翔实，理论与实践并重，既适合光学、物理、电子工程等相关专业的学生和研究人员阅读，也能够为从事光学器件设计、光通信、光电子技术等领域的工程师提供有力的技术支持。通过对本书的学习，读者将能够深入理解光波传输的奥秘，并掌握运用先进的数值仿真工具解决复杂光学问题的能力。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和装帧设计也给我留下了深刻印象，那种沉稳而又不失现代感的风格，让人爱不释手。内页纸张的质量上乘，印刷清晰，即便是长时间阅读那些密集的图表和代码示例，眼睛也不会感到疲劳。更重要的是，作者在内容的组织上展现了极高的专业素养。逻辑链条环环相扣，从基础的麦克斯韦方程组出发，逐步推导出适用于仿真环境的有限元或有限差分方法，每一步的推导都详略得当，注释清晰。这不像很多同类书籍那样，要么为了追求深度而牺牲了可读性，要么为了简化而导致关键步骤缺失。这本书显然是经过精心打磨的教材，适合作为研究生或高年级本科生的参考用书，因为它既能构建起坚实的理论基础，又能教会读者如何使用强大的计算工具来解决实际工程问题。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容实在是太出乎意料了，我原本以为会是一本枯燥乏味的理论书籍，充斥着各种晦涩难懂的数学公式和抽象的概念。然而，当我真正沉浸其中后，才发现它远不止于此。作者似乎拥有一种魔力，能将复杂的物理现象转化为清晰易懂的图景，让即便是初学者也能快速抓住问题的核心。书中对于光学原理的阐述，并非停留在表面，而是深入到微观层面，结合现代数值仿真的工具，提供了一套系统性的分析框架。尤其是那些关于光纤通信和波导结构优化的章节，简直是为工程实践者量身定做，我从中获得了许多启发，立即尝试将书中的方法应用到我手头的一个项目上，效果立竿见影。这种理论与实践紧密结合的写作风格，极大地提升了阅读体验。

评分☆☆☆☆☆

坦白说，这本书的阅读过程并非一帆风顺，它对读者的前期知识储备有一定的要求。如果你对傅里叶变换、矢量微积分以及基础的矩阵运算感到陌生，那么在某些章节可能会感到吃力。然而，正是这种略带挑战性的深度，才使得这本书的价值凸显出来。它不是那种可以轻松翻阅的网络文章合集，而是一部需要坐下来、拿出笔和草稿纸认真研读的经典。我尤其欣赏作者在引入新概念时，总是先给出直观的物理图像，再辅以严谨的数学表达。这种“先感性认识，后理性把握”的教学路径，极大地降低了学习曲线的陡峭程度，让我在攻克那些看似难以逾越的数学难关时，始终保持着学习的热情和动力。

评分☆☆☆☆☆

我一直苦于找不到一本能够将“光波”这一宏大概念，通过“数值仿真”这一具体手段进行有效衔接的书籍。市面上的很多教材要么偏重于纯理论推导，仿真部分只是蜻蜓点水；要么就是单纯的代码手册，缺乏对背后物理本质的深刻洞察。这本书则成功地填补了这个空白。它详尽地介绍了如何构建一个稳定且高效的仿真模型，包括网格划分的策略、边界条件的设定，以及如何验证仿真结果的准确性。特别是其中关于非线性光学效应仿真的部分，处理得极其细腻和深入，这通常是其他入门或进阶书籍会略过的高级内容。读完后，我感觉自己仿佛完成了一次系统的“软硬件结合”的训练，不仅理解了“为什么”要这样做，更学会了“如何”去实现它。

评分☆☆☆☆☆

从宏观角度看，这本书不仅仅是一本技术手册，更像是一份对现代光学工程领域前沿研究方法的宣言。它所涵盖的仿真技术，例如时域有限差分法（FDTD）和束传播法（BPM）在处理不同尺度和复杂结构时的优劣比较，都体现了作者深厚的工程实践经验。书中提供的案例分析极具说服力，每一个仿真结果的展示都配有详尽的背景介绍和参数说明，这对于希望从事光波器件设计与优化工作的研究人员来说，是无价的财富。它教会我们如何系统性地思考问题，如何利用计算工具去指导实验设计，而不是盲目地进行试错。这本书绝对是值得我桌面上常备的一本工具书，相信在未来的研究和工作中，我会不断地从中汲取新的知识和方法论。