《高等光學仿真(MATLAB)——光波導，雷射（第3版）》是2019年12月1日北京航空航天大學出版社出版的圖書，作者是歐攀。
基本介紹
- 書名：高等光學仿真(MATLAB)——光波導，雷射（第3版）
- 作者：歐攀
- 出版社：北京航空航天大學出版社
- ISBN：9787512430518
內容簡介,圖書目錄,
內容簡介
本書介紹如何利用MATLAB來仿真高等光學中舉足輕重的兩個研究方向——光波導和雷射中的一系列理論模型。讀者通過這些仿真過程和結果能夠進一步加深對光波導和雷射的理解和套用。
全書共7章,分別介紹光的電磁理論基礎,光的干涉和衍射,理想平板介質光波導中的光傳播特性及仿真,光纖中的光傳播特性及仿真,高斯光束和光纖耦合,雷射原理及仿真,高功率雙包層光纖雷射器及仿真。書中大量運用到求解各類模型的數值計算方法,包括方程求根的數值解法、數值積分方法、常微分方程的初值問題數值求解、常微分方程的邊值問題數值求解等。採用MATLAB 中相應的數值求解函式仿真高等光學模型,並結合MATLAB 強大的作圖功能實現仿真結果的可視化,可加深讀者對高等光學問題仿真結果及其物理意義的理解,達到舉一反三的效果。本次修訂增加了光的干涉和衍射仿真,結合MATLAB的數字圖像功能來展示各種光的干涉和衍射的圖樣。
本書可作為高等院校光學、光學工程、光信息科學技術、電子科學技術等有關專業本科生和研究生的教材,也可供相應專業的教師和科技工作者參考。
圖書目錄
第1 章光的電磁理論基礎 1
1.1 麥克斯韋電磁理論 1
1.1.1 麥克斯韋方程組 1
1.1.2 邊界條件3
1.1.3 時諧電磁場4
1.1.4 電磁場的波動方程 5
1.2 平面波和疊加原理 5
1.2.1 平面波 5
1.2.2 疊加原理 6
1.3 微分運算元7
1.3.1 時間微分運算元7
1.3.2 空間微分運算元7
1.4 平面光波在電介質表面的反射和折射8
1.4.1 電矢量平行入射面 8
1.4.2 電矢量垂直入射面 10
1.4.3 菲涅耳公式11
1.4.4 反射率和透射率 12
1.5 光波由光疏介質進入光密介質 14
1.5.1 反射率、透射率變化 14
1.5.2 布魯斯特角 17
1.5.3 相位變化 18
1.6 光波由光密介質進入光疏介質 18
1.6.1 反射率、透射率變化 18
1.6.2 全反射 20
1.6.3 相位變化 21
1.6.4 倏逝波 22
1.7 MATLAB 預備技能與技巧 24
1.7.1 向量及其操作 24
1.7.2 MATLAB 基本作圖 30
1.8 習題 39
第2 章光的干涉和衍射 40
2.1 光的干涉原理 40
2.1.1 干涉的條件 41
2.1.2 雙光束干涉 42
2.2 波前分割干涉 44
2.2.1 楊氏雙縫干涉 44
2.3 波幅分割干涉 46
2.3.1 等傾干涉 46
2.3.2 等厚干涉 48
2.3.3 雷射干涉引力波天文台（LIGO） 50
2.4 多光束干涉 50
2.4.1 平行平面板的多光束干涉 51
2.4.2 法布里–珀羅干涉儀 53
2.5 光的衍射原理 57
2.5.1 單縫衍射 58
2.5.2 雙縫衍射 60
2.5.3 衍射光柵 62
2.5.4 圓孔衍射和艾里斑 62
2.6 菲涅耳衍射 67
2.6.1 菲涅耳衍射積分式 68
2.6.2 幾種典型的菲涅耳衍射 69
2.7 白光干涉與衍射 71
2.8 衍射的傅立葉光學仿真 75
2.9 MATLAB預備技能與技巧 78
2.9.1 MATLAB中的數字圖像 78
2.9.2 MATLAB中數字圖像的讀取、顯示及輸出 80
2.10 習題 88
第3 章理想平板介質光波導中的光傳播特性及仿真 89
3.1 平板介質光波導一般概念 89
3.2 平板光波導分析的射線法 90
3.2.1 振幅反射率和附加相移 91
3.2.2 特徵方程 91
3.3 平板光波導中的TE模 93
3.3.1 TE模的電磁理論求解 93
3.3.2 TE模的特徵方程和截止條件 95
3.3.3 TE模特徵方程的MATLAB圖解 96
3.3.4 TE模特徵方程的MATLAB數值求解 99
3.3.5 非對稱平板光波導和對稱平板光波導 100
3.3.6 TE模的截止波長 102
3.3.7 TE模場分布的MATLAB圖示 103
3.3.8 TE模的模式數 105
3.3.9 TE模的傳播功率 105
3.3.10 TE模的模式特性 106
3.3.11 TE模的歸一化傳播常數 106
3.4 平板光波導中的TM模 108
3.4.1 TM模的電磁理論求解 108
3.4.2 TM模的特徵方程 109
3.4.3 TM模的截止波長 110
3.4.4 TM模的傳播功率 111
3.5 MATLAB預備技能與技巧 111
3.5.1 MATLAB的腳本和函式 111
3.5.2 函式的函式 112
3.5.3 方程求根的MATLAB數值解法 114
3.5.4 方程求根的MATLAB符號解法 120
3.6 習題 127
第4 章光纖中的光傳播特性及仿真 128
4.1 光纖的誕生和光纖通信 128
4.2 光纖的一般概念 129
4.2.1 光纖和光纜 129
4.2.2 光纖的種類 130
4.2.3 光纖的製造 131
4.2.4 光纖的損耗 132
4.2.5 光纖傳輸的優點 132
4.3 光纖的參數定義 134
4.3.1 基本特性參數 134
4.3.2 歸一化頻率 134
4.3.3 歸一化橫向相位參數和歸一化橫向衰減參數 135
4.3.4 有效折射率 135
4.3.5 歸一化相位常數 136
4.3.6 截止波長 136
4.4 光纖波導的電磁理論解法 137
4.4.1 柱坐標系亥姆霍茲方程和Bessel函式 137
4.4.2 光纖中的電磁場分量矢量解 140
4.4.3 矢量解的特徵方程 142
4.4.4 導波模的分類和特徵方程 143
4.5 光纖中的線性偏振模式LPlm 144
4.5.1 LP模的簡併及其特徵方程 144
4.5.2 LP模的截止條件 146
4.5.3 LP模歸一化截止頻率的數值求解 147
4.6 階躍型折射率光纖中的模式容量和光功率分布 150
4.6.1 階躍型折射率光纖中LP模的模式容量 150
4.6.2 階躍型折射率光纖中LP模的光功率 151
4.7 單模光纖特性分析 153
4.7.1 單模光纖的特徵方程及其MATLAB數值求解 153
4.7.2 單模光纖的一維模場分布 157
4.7.3 單模光纖的二維模場分布 159
4.7.4 單模光纖的三維模場分布及動畫演示 163
4.7.5 單模光纖的歸一化相位常數 166
4.7.6 單模光纖的光功率填充因子 168
4.7.7 單模光纖的模場直徑（模場半徑） 170
4.7.8 光纖中模場的高斯模型近似 173
4.8 多模光纖特性分析 175
4.8.1 多模光纖的特徵方程及其MATLAB數值求解 175
4.8.2 多模光纖模式的二維光場分布 178
4.8.3 多模光纖模式的三維光場分布及動畫演示 181
4.9 MATLAB預備技能與技巧 185
4.9.1 Bessel函式及其特性 185
4.9.2 MATLAB的三維曲線作圖 189
4.9.3 MATLAB的三維曲面作圖 192
4.9.4 MATLAB的動畫製作 200
4.10 習題 205
第5 章高斯光束和光纖耦合 206
5.1 高斯光束及其傳播 206
5.1.1 高斯光束的基本性質 206
5.1.2 高斯光束的復參數表示和ABCD定律 211
5.1.3 高斯光束通過複雜光學系統的變換 217
5.1.4 高斯光束通過薄透鏡的變換 219
5.1.5 高斯光束的聚焦 222
5.2 光纖端面的輻射場 225
5.2.1 夫琅禾費區域的輻射場 225
5.2.2 高斯孔徑光束的輻射場 229
5.2.3 試驗確定參數ka及V的值 232
5.3 光纖的光功率發射和耦合 234
5.3.1 光源的輸出方向圖 234
5.3.2 光源耦合進多模光纖的光功率計算 236
5.3.3 LED與單模光纖的光功率耦合 238
5.4 光纖與光纖的連線及其光功率損耗 241
5.4.1 多模光纖連線的光功率損耗 241
5.4.2 單模光纖連線的光功率損耗 250
5.5 MATLAB預備技能與技巧 253
5.5.1 數值積分和符號積分的基本概念 253
5.5.2 積分的MATLAB符號計算 253
5.5.3 積分的MATLAB數值計算 256
5.6 習題 261
第6 章雷射原理及仿真 263
6.1 雷射發展簡介 263
6.2 輻射與物質的相互作用 264
6.2.1 吸收、反射、透過率及係數 264
6.2.2 熱輻射現象 265
6.2.3 黑體輻射的規律 266
6.2.4 普朗克公式和能量量子化假設 267
6.2.5 玻耳茲曼分布 270
6.3 自發輻射、受激輻射和受激吸收 271
6.3.1 自發輻射 272
6.3.2 受激輻射 273
6.3.3 受激吸收 274
6.3.4 愛因斯坦關係式 274
6.4 吸收與光學增益 275
6.4.1 原子線形 275
6.4.2 受激吸收 278
6.5 雷射器的基本構成和雷射的模式 280
6.5.1 雷射器的基本構成 280
6.5.2 雷射的模式 281
6.6 雷射速率方程 283
6.6.1 三能級系統的速率方程 284
6.6.2 四能級系統的速率方程 286
6.7 雷射調Q 技術 287
6.7.1 雷射調Q 原理 288
6.7.2 聲光調Q 289
6.7.3 被動調Q 290
6.8 雷射二極體抽運的被動調Q 微晶片雷射器仿真 292
6.8.1 被動調Q 耦合速率方程組 292
6.8.2 被動調Q 耦合速率方程組數值仿真 293
6.9 MATLAB預備技能與技巧 298
6.9.1 微分方程的概念 298
6.9.2 常微分方程的數值解法（初值問題） 299
6.9.3 歐拉法 300
6.9.4 龍格–庫塔法 302
6.9.5 MATLAB中的常微分方程初值問題求解 305
6.9.6 MATLAB中的ode求解函式 311
6.9.7 高階常微分方程（組）的MATLAB數值求解 316
6.10 習題 318
第7 章高功率雙包層光纖雷射器及仿真 319
7.1 雙包層光纖雷射器概述 320
7.1.1 光纖雷射器發展歷史 320
7.1.2 雙包層光纖的結構 322
7.1.3 雙包層光纖雷射器和其他雷射器比較 323
7.2 端面抽運的摻Yb雙包層光纖雷射器的基本理論及仿真 325
7.2.1 端面抽運方式 325
7.2.2 Yb離子的能級結構和光譜特性 326
7.2.3 速率方程和公式推導 328
7.2.4 端面抽運高功率雙包層光纖雷射器的數值仿真 331
7.3 側面抽運的雙包層光纖雷射器及其仿真 336
7.3.1 側面抽運的耦合方式 336
7.3.2 多點側面抽運的光纖雷射器理論模型 341
7.3.3 多點側面抽運高功率雙包層光纖雷射器的數值仿真 345
7.4 MATLAB預備技能與技巧 348
7.4.1 常微分方程的邊值問題概述 348
7.4.2 邊值問題數值解法 350
7.4.3 利用MATLAB求解邊值問題示例 352
7.5 習題 362
MATLAB 函式名與關鍵字索引 364
術語索引 368
參考文獻 372
