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

图书标签:

• 光波传输
• 数值仿真
• 光纤通信
• 光学
• 数值计算
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• 通信工程
• 光电子学
• 信号处理

店铺： 火把图书专营店

出版社： 国防工业

ISBN：9787118114287

商品编码：29738534658

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)》图书简介 本书深入探讨了光波在不同介质中传输行为的数值模拟方法，旨在为光学、通信、材料科学、微纳加工以及相关工程领域的研究人员、工程师和高年级学生提供一套全面且实用的技术指导。内容聚焦于如何利用先进的计算工具和算法，精确预测和分析光波在复杂环境下的传播特性，从而加速理论研究的进展，优化器件设计，并推动前沿技术的实际应用。 第一部分：基础理论与建模 本部分为读者奠定坚实的理论基础，介绍光波传输的根本原理及其在数值仿真中的体现。 电磁波理论回顾： 详细阐述麦克斯韦方程组及其在描述光波传播中的核心作用。我们将从基础出发，回顾并提炼出适用于数值分析的微分方程形式，包括其在不同坐标系下的表示，以及不同介质（如均匀介质、各向异性介质、损耗介质）对电磁场的响应。特别会强调波动方程的推导过程，以及其在频域和时域下的不同表述方式，为后续的数值离散化打下基础。 光波的传播模型： 介绍几种主流的光波传播模型，并分析它们各自的适用范围和局限性。 波动方程模型 (Full-wave Simulation)： 这是最精确的模型，直接求解麦克斯韦方程组，能够捕捉到所有尺度的物理现象，包括衍射、干涉、散射和近场效应。我们会详细介绍基于波动方程的仿真方法，如时域有限差分法 (FDTD)、有限元法 (FEM)、边界元法 (BEM) 等，并分析它们的算法原理、精度、计算复杂度以及在不同问题中的优势。 标量衍射理论 (Scalar Diffraction Theory)： 在某些近似条件下（如光波频率远高于介质的相对磁导率和介电常数变化率，且传播距离远大于波长），可以将矢量波动方程简化为标量波动方程。我们将介绍惠更斯-菲涅耳原理，以及基于标量衍射的近似方法，如菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的计算，并说明其在远场分析中的应用。 射线光学模型 (Ray Optics Approximation)： 当光波的波长远小于所研究结构或特征尺度时，光波可以近似为射线传播。我们会介绍基于费马原理的光线追迹方法，包括反射、折射的计算，以及在复杂光学系统（如透镜、反射镜、光纤）中的应用，并分析该模型在处理宏观光学问题时的效率优势和不足。 数值仿真方法概述： 简要介绍本研究领域常用的数值仿真方法，为后续详细讲解做好铺垫。我们将对各种方法的计算原理、适用性、优缺点进行初步的对比和分类，例如： 差分方法 (Finite Difference Methods)： 如FDTD，其核心思想是将连续的偏微分方程离散化为代数方程组，在规则网格上进行计算。 有限元方法 (Finite Element Methods)： 将整个计算区域划分为一系列小的单元，在每个单元内用基函数近似求解。 谱方法 (Spectral Methods)： 利用傅里叶级数或多项式级数来表示待求场，具有很高的精度。 边界元方法 (Boundary Element Methods)： 仅在求解域的边界上进行离散化，能够有效减少计算量，尤其适用于无限域问题。 光线追迹法 (Ray Tracing)： 基于射线 Optics 的概念，用于模拟宏观光学系统。 第二部分：关键数值仿真技术详解 本部分将详细介绍实现光波传输数值仿真的核心算法和技术细节，提供具体的操作指导。 时域有限差分法 (FDTD)： 作为一种广泛应用的时域波动方程求解方法，FDTD被赋予了详尽的阐述。 基本原理与离散化： 详细介绍Yee网格的构建，如何将麦克斯韦旋度方程在时空离散化，生成更新方程。我们将深入讲解其稳定性条件（CFL条件）以及边界处理技术（如完全匹配层PML、吸收边界条件ABC）。 算法实现与优化： 提供具体的算法流程，包括初始化、时间步进、数据存储等。讨论如何通过并行计算、存储优化等手段提高仿真效率。 应用实例： 阐述FDTD在光子晶体、纳米天线、表面等离激元、周期性结构、光栅等问题中的具体应用，并给出相应的仿真案例和结果分析。 有限元方法 (FEM)： FEM以其处理复杂几何形状的能力而闻名，在本部分得到深入剖析。 弱形式与变分原理： 介绍如何将麦克斯韦方程组转化为积分形式的弱形式，并讲解其物理意义。 基函数选择与网格剖分： 讨论不同阶次的基函数（如多项式基函数）的选择，以及非结构化网格在处理复杂几何结构中的优势。 线性方程组的求解： 介绍直接法和迭代法在求解大型稀疏线性方程组中的应用，以及针对FEM方程组特点的优化策略。 应用场景： 重点介绍FEM在求解谐振腔、波导、耦合器、光子晶体器件、散射问题等方面的优势，并展示相应的仿真结果。 其他重要仿真方法： 时域传播 (Beam Propagation Method, BPM)： 重点介绍BPM在模拟长距离、弱散射或渐变介质中光波传播的优势。讲解其基于频域和时域的两种主要形式，以及其在光纤通信、集成光学器件设计中的应用。 频域有限差分法 (Frequency Domain FDTD, FDFD)： 介绍FDFD在求解稳态问题、色散问题中的应用，以及如何处理周期性边界条件。 边界元法 (BEM)： 强调BEM在处理开放边界问题、散射问题以及周期性结构问题时的效率优势，并介绍其积分方程的建立和求解方法。 快速多极子方法 (Fast Multipole Method, FMM)： 介绍FMM作为一种高效处理大规模电磁散射和辐射问题的加速算法，特别是在分析大型复杂结构时。 第三部分：高级主题与工程应用 本部分将聚焦于光波传输数值仿真的高级议题，并结合实际工程问题，展示其应用价值。 周期性结构与布拉格衍射： 深入研究光波在周期性结构（如光子晶体、衍射光栅、超表面）中的传输和衍射行为。 方法论： 详细介绍二维和三维周期性结构中的仿真技术，包括平面波展开法 (Plane Wave Expansion, PWE) 用于计算能带结构，以及FDTD、FEM在模拟衍射效率、透射/反射谱时的应用。 案例分析： 探讨光子晶体滤波器、光栅耦合器、全息光栅、超表面相位调制器的设计与仿真。 表面等离激元 (Surface Plasmons, SPs) 与纳米光学： 针对亚波长尺度的光波现象，详细阐述SP的激发、传播和调控。 建模挑战： 分析纳米尺度下几何效应、材料非局域效应、损耗等带来的仿真挑战。 仿真技术： 重点介绍FDTD、FEM在模拟SP的传播、散射、增强等现象中的应用，以及纳米天线、SPR传感器、超材料器件的设计与仿真。 光纤与波导仿真： 专注于光在光纤、集成波导等介质中的传输特性。 模型选择： 讨论对于不同类型的光纤（单模、多模、特种光纤）和波导（介质波导、金属波导）应选择的仿真模型，如FDTD、FEM、BPM等。 关键参数分析： 讲解如何通过仿真计算模式分布、有效折射率、损耗、色散、耦合效率等关键参数，并用于器件优化。 散射与辐射问题： 探讨光波在复杂形状物体上的散射行为，以及电磁辐射的计算。 近场与远场计算： 介绍如何利用不同的数值方法（如FDTD、FEM、BEM）计算散射体的近场和远场分布，以及雷达散射截面 (RCS) 等指标。 辐射源建模： 讨论点源、偶极子、天线等辐射源的建模方法，及其在辐射传输分析中的应用。 多物理场耦合仿真： 介绍在更复杂的场景下，需要考虑光波与其他物理场（如热、应力、电场、磁场）的耦合作用。 耦合机制： 阐述光热效应、光机械效应、电光效应、磁光效应等耦合机制。 仿真策略： 讨论如何通过多物理场耦合仿真软件或自行开发的耦合算法，实现多场协同仿真，以解决实际工程中的复杂问题。 面向工程应用的流程与优化： 总结将数值仿真技术应用于工程实践的完整流程。 问题定义与模型选择： 如何根据实际工程需求，准确定义仿真问题，并选择最合适的仿真方法。 网格生成与边界处理： 强调高质量网格生成和有效边界处理对于仿真结果准确性的重要性。 参数扫描与优化设计： 介绍如何通过参数扫描、优化算法（如遗传算法、粒子群算法）与仿真相结合，实现光学器件的最优化设计。 结果验证与工程部署： 讨论如何通过实验比对或与其他仿真结果进行交叉验证，确保仿真结果的可靠性，并将其应用于实际工程开发。 附录 常用仿真软件简介： 简要介绍市面上主流的光波传输数值仿真软件，如Lumerical、COMSOL Multiphysics、CST Studio Suite、Ansys HFSS等，并阐述它们各自的特点和应用领域。 编程与脚本开发： 提供一些关于使用MATLAB、Python等编程语言进行仿真数据后处理、自定义脚本开发以及自动化仿真的技巧和示例。 术语表： 整理本书中出现的关键术语及其定义，方便读者查阅。 本书结构清晰，内容详实，理论与实践相结合，旨在帮助读者掌握光波传输数值仿真的核心技术，并能够独立解决实际工程问题。通过阅读本书，读者将能够深入理解光波在复杂介质中的传播机制，并利用先进的仿真工具进行高效精确的分析与设计。

评分☆☆☆☆☆

初步翻阅目录时，我注意到章节的划分逻辑非常清晰，从基础理论的铺陈到高级模型的建立，再到具体的数值计算方法，步骤衔接得非常自然流畅，显示出作者在教学设计上的深厚功力。特别是那些关于特定算法的章节标题，命名精准且富有技术性，让人立刻就能判断出该部分所涵盖的数学工具的复杂程度。我注意到其中似乎有专门对特定数值方法的稳定性和收敛性进行深入探讨的篇幅，这对于实际应用者来说至关重要，因为理论上的“可行”和工程上的“好用”之间往往隔着巨大的鸿沟。我期待书中能够提供足够详尽的伪代码或者流程图，这样在移植到不同的编程语言环境中时，能大大减少摸索的时间。一个好的技术书籍，其目录本身就是一份极佳的导航图。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧和排版确实相当精良，拿到手里就能感受到印刷厂的用心。封面设计简洁大气，那种深邃的蓝色调很容易让人联想到广袤的宇宙和深海，虽然我还没来得及深入研究内容，但光是看着这本厚实的书脊，就觉得里面承载了足够的分量。纸张的质感也很好，触感细腻，这对于需要长时间阅读的专业书籍来说是个加分项。不过，对于我个人而言，这样的外观设计虽然专业，但似乎缺乏一些能让人眼前一亮的创新元素，略显保守。我更希望看到一些能体现出“光波”这种动态特性的视觉表达，比如用更抽象或更具未来感的图形来装饰封面或内页的空白处。整体而言，它散发着一种严谨、可靠的气息，作为案头工具书，摆在那里就已经让人心安。

评分☆☆☆☆☆

从整体内容来看，这本书似乎聚焦于“数值仿真”这一实践层面，而非停留在纯粹的理论推导。这种侧重于计算实现的角度，对于工程界和需要进行实验验证的研究人员来说，无疑具有极高的实用价值。我观察到其中似乎涉及了对复杂介质中光场分布的模拟，这通常意味着需要处理复杂的边界条件和非均匀介质的相互作用。我比较好奇作者是如何处理网格划分和离散化误差的？是偏向于有限差分、有限元，还是更前沿的谱方法？如果书中能提供不同数值方法在计算精度、内存占用和运算速度上的对比分析，那就太棒了。这种基于实践的权衡分析，往往是教科书和专业著作之间拉开差距的关键。

评分☆☆☆☆☆

这本书的版面设计非常紧凑，几乎每一个角落都塞满了公式和图表，这体现了作者力求信息最大化的努力。大量的公式推导占据了主要的篇幅，几乎可以肯定，每一个推导步骤都是经过仔细考量的，旨在提供一个完整的逻辑链条。然而，随之而来的问题可能是图注和正文的关联性。我注意到有些图表似乎是独立存在的，需要读者自行回到正文的某个段落去寻找其理论依据，这要求读者具备极强的上下文切换能力。如果能在图表旁边增加更简明扼要的文字说明，点明该图所展示的核心现象或数值验证的结果，我想阅读体验会更加顺畅和直观。这是一本需要“慢读”和反复查阅的书籍，不适合走马观花地浏览。

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格偏向于严谨的学术论述，句子结构大多是陈述句，用词精准，极少出现口语化的表达。这对于已经具备一定专业背景的读者来说，阅读起来效率会非常高，因为不需要在理解字面意思上耗费太多精力。但是，对于初次接触这一领域的学习者来说，我猜想可能需要较高的数学基础和耐心去消化那些密集的信息。我注意到书中对一些关键物理概念的引入，似乎是直接给出了数学表述，缺少了一些形象化的比喻或类比来搭建“物理直觉”的桥梁。当然，这也许是作者刻意为之，旨在保持内容的纯粹性。总而言之，它更像是一份高阶的参考手册，而不是一本引导入门的启蒙读物，需要读者自带一定的知识储备才能高效地吸收。