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ut\ X{.r7 前言 dWiNe!oY2 zps =~| 在物理光學(xué)中，認(rèn)為光是一種電磁波。在光的電磁場(chǎng)理論基礎(chǔ)上，研究光在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如光的干涉、光的衍射、光的偏振等物理現(xiàn)象，進(jìn)而研究這些規(guī)律和現(xiàn)象的應(yīng)用。它是一門經(jīng)典理論與近代技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用性很強(qiáng)的課程。由于學(xué)習(xí)物理光學(xué)需要具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)理論功底，并且對(duì)于物理光學(xué)中的概念和相關(guān)物理現(xiàn)象很難把握，因此使用物理光學(xué)仿真平臺(tái)搭建物理實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停梢詭椭鷮W(xué)生更好的理解相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。 ><D2o f| mY/"rm 現(xiàn)代光學(xué)建模技術(shù)包含了幾何光學(xué)和物理光學(xué)兩大領(lǐng)域，幾何光學(xué)以費(fèi)馬原理為基礎(chǔ)，通過(guò)折反定律來(lái)進(jìn)行光線追跡，能夠快速實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)地仿真，但忽略了衍射和矢量等波動(dòng)光學(xué)效應(yīng)；物理光學(xué)通常以求解麥克斯韋方程組為主，如使用FDTD或者FEM等通用的全局麥克斯韋仿真求解器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行求解，從而獲得完整的電磁場(chǎng)信息，但由于計(jì)算量大而無(wú)法對(duì)整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真。 CN ( : y3 b"'-% 為了滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的建模需求，德國(guó)耶拿大學(xué)Prof. Wyrowski Frank開(kāi)發(fā)了高速物理光學(xué)仿真軟件——VirtualLab Fusion，它利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)將物理光學(xué)中眾多具有復(fù)雜、抽象概念的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)簡(jiǎn)單的流程圖操作形式進(jìn)行建模，將物理實(shí)驗(yàn)中不易得到的結(jié)果通過(guò)仿真展現(xiàn)出來(lái)，使得用戶可以脫離復(fù)雜、煩瑣的實(shí)驗(yàn)搭建過(guò)程，從而更加直觀、方便的感受物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)中的各種光學(xué)現(xiàn)象，幫助用戶準(zhǔn)確理解物理光學(xué)的核心內(nèi)容。 \P+^BG! ?xH{7)dO VirtualLab Fusion軟件當(dāng)中集成了從幾何光學(xué)到物理光學(xué)的各種建模技術(shù)，如幾何光學(xué)算子、平面波角譜法、瑞利索墨菲算子、薄元近似和傅里葉模態(tài)法等，既能夠使用場(chǎng)追跡或經(jīng)典場(chǎng)追跡，從物理光學(xué)角度進(jìn)行快速地仿真；也可以使用傳統(tǒng)的光線追跡，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。在VirtualLab中，我們根據(jù)場(chǎng)追跡的概念將系統(tǒng)分解成不同的區(qū)域，并選擇合適的麥克斯韋仿真求解器（建模技術(shù)）進(jìn)行求解，之后通過(guò)序列或非序列方式將各個(gè)區(qū)域連接起來(lái)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中求解麥克斯韋方程組的效果，以獲得完整的電磁場(chǎng)信息。另外，在軟件中我們引入了多種傅里葉變換算法，如經(jīng)典的快速傅里葉變換、半解析傅里葉變換以及幾何傅里葉變換以實(shí)現(xiàn)不同類型光場(chǎng)在時(shí)間域與頻率域間的快速轉(zhuǎn)換，這也進(jìn)一步提高了模擬的效率。 M>m!\bb%. 2"Wq=qy\J 目前，VirtualLab Fusion的光場(chǎng)追跡概念正在被越來(lái)越多的高校、研究所以及企業(yè)所接受，為了滿足越來(lái)越多用戶地學(xué)習(xí)需求，訊技特推出了《VirtualLab Fusion物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)教程》書籍，書中既包含了物理光學(xué)理論的介紹，又包含了大量逐步講解的實(shí)用案例，包羅了物理光學(xué)當(dāng)中干涉、衍射、晶體、偏振及傅里葉光學(xué)等方面的基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)操作過(guò)程。 n@ba>m4{ 期望通過(guò)此書，能夠幫助用戶更好的理解物理光學(xué)基礎(chǔ)概念和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并且可以學(xué)習(xí)和掌握VirtualLab Fusion軟件，享受其為光學(xué)建模和仿真所帶來(lái)的便利與樂(lè)趣。 "*D9.LyM 9%|skTgIqH 感謝訊技的工程師團(tuán)隊(duì)在此書的編撰過(guò)程中所付出的努力，由于時(shí)間有限，書中難免會(huì)有不足之處，還請(qǐng)各位同行及用戶不吝指正。書中自帶光盤中有軟件試用安裝程序及各章的案例，有興趣讀者可依次深入研究，若有任何問(wèn)題，可隨時(shí)與我們聯(lián)系。 n/(}|xYU
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目錄 %n9ukc~$p
第一章 物理光學(xué)概念介紹 6 rZpsC}C'
1.1 幾何光學(xué)和光線追跡 6 1c#\CO1l
1.2 物理光學(xué)和光場(chǎng)追跡 6 L5 Cfa-
1.3 電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及坡印廷矢量 8 =,;$d&#*h
1.4 振幅、相位及實(shí)部和虛部 9 ?2da6v,t
1.5 振幅、相位與偏振 10 R|8L'H+1x
1.6菲涅爾公式 11 .rO~a.kG
1.7 全反射 13 "Hz%0zP&
1.8倏逝波 13 )#i"hnYpQ
第二章 光的干涉及干涉系統(tǒng)建模仿真 15 yH-&o,
2.1 牛頓環(huán)模擬仿真 15 Zl&ED {k<
2.1.1 牛頓環(huán)反射系統(tǒng)預(yù)覽 15 zn^7#$fC
2.1.2 光源-平面波 15 )@I] Rk?
2.1.3 牛頓環(huán)參數(shù) 15 ysK J=
2.1.4 模擬仿真步驟 16 Ewr2popK
2.1.5總結(jié) 23 2e1%L, y{W
2.2 Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具干涉 23 oY0b8=[
2.2.1 F-P標(biāo)準(zhǔn)具系統(tǒng)預(yù)覽 24 $dKf UlO
2.2.2 光源-球面波 24 1)h<)
2.2.3 F-P標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù) 24 i0wBZ i?
2.2.4 球透鏡參數(shù) 25 iOEBjj;C
2.2.5 模擬仿真步驟 26 ' D`lVUB
2.2.6總結(jié) 38 zLe(#8G
2.3 斐索干涉儀 38 8g)$%Fy+N
2.3.1 斐索干涉儀系統(tǒng)預(yù)覽 38 d2i ?FT>
2.3.2 光源-球面波 39 e8dZR3JL
2.3.3 準(zhǔn)直透鏡參數(shù) 39 6?%$e$s
2.3.4 光束分束器參數(shù) 40 k6z
] -XG
2.3.5 參考面參數(shù) 40 oqh@ (<%
2.3.6 測(cè)試面參數(shù) 41 j*|0#q;e6
2.3.7 成像透鏡 43 "#gKI/[qxq
2.3.8 模擬仿真步驟 43 C4ktCN
2.3.9總結(jié) 53 kG5+kwV= :
2.4 楊氏雙縫干涉 54 B.od{@I(Xp
2.4.1 楊氏雙縫干涉系統(tǒng)預(yù)覽 54 *rw6?u9I
2.4.2 光源-高斯波 54 8(Ptse
,
2.4.3 雙縫-可編程元件 55 ,7s+-sRG
2.4.4 模擬仿真步驟 55 Tim/7*vx
2.4.5總結(jié) 59 HxW/t7Z(
2.5 剪切干涉儀 59 P3W3+pwq
2.5.1 入射面基本參數(shù) 60 s 7w A3|9
2.5.2 準(zhǔn)直擴(kuò)束基本參數(shù) 60 Q~ Ad{yC
2.5.3 剪切平板基本參數(shù) 61 G)NqIur*Z
2.5.4 模擬仿真步驟 61 :}fA98S
2.5.5 總結(jié) 69 @8m%*pBg
2.6 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x 70 p| nPu*R-\
2.6.1 馬赫-曾德?tīng)柛缮鎯x系統(tǒng)預(yù)覽 70 <5j%!6zo
2.6.2 光源基本參數(shù) 70 BjPU@rS .U
2.6.3 擴(kuò)束器參數(shù) 71 MtPdpm6\
2.6.4 相位延遲元件 71 X=f
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