前言
在物理光學(xué)中，認(rèn)為光是一種電磁波。在光的電磁場理論基礎(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)仿真平臺搭建物理實驗?zāi)Ｐ停梢詭椭鷮W(xué)生更好的理解相關(guān)實驗內(nèi)容和實驗現(xiàn)象。
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)以費馬原理為基礎(chǔ)，通過折反定律來進(jìn)行光線追跡，能夠快速實現(xiàn)整個系統(tǒng)地仿真，但忽略了衍射和矢量等波動光學(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整個系統(tǒng)進(jìn)行求解，從而獲得完整的電磁場信息，但由于計算量大而無法對整個復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
為了滿足現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)的建模需求，德國耶拿大學(xué)Prof. Wyrowski Frank開發(fā)了高速物理光學(xué)仿真軟件——VirtualLab Fusion，它利用先進(jìn)的計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)將物理光學(xué)中眾多具有復(fù)雜、抽象概念的實驗，通過簡單的流程圖操作形式進(jìn)行建模，將物理實驗中不易得到的結(jié)果通過仿真展現(xiàn)出來，使得用戶可以脫離復(fù)雜、煩瑣的實驗搭建過程，從而更加直觀、方便的感受物理光學(xué)實驗中的各種光學(xué)現(xiàn)象，幫助用戶準(zhǔn)確理解物理光學(xué)的核心內(nèi)容。
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，既能夠使用場追跡或經(jīng)典場追跡，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，對系統(tǒng)進(jìn)行分析。在VirtualLab中，我們根據(jù)場追跡的概念將系統(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，之后通過序列或非序列方式將各個區(qū)域連接起來，從而達(dá)到對整個系統(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現(xiàn)不同類型光場在時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。
目前，VirtualLab Fusion的光場追跡概念正在被越來越多的高校、研究所以及企業(yè)所接受，為了滿足越來越多用戶地學(xué)習(xí)需求，訊技特推出了《VirtualLab Fusion物理光學(xué)實驗教程》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)物理實驗的詳細(xì)操作過程。
期望通過此書，能夠幫助用戶更好的理解物理光學(xué)基礎(chǔ)概念和實驗現(xiàn)象，并且可以學(xué)習(xí)和掌握VirtualLab Fusion軟件，享受其為光學(xué)建模和仿真所帶來的便利與樂趣。
感謝訊技的工程師團(tuán)隊在此書的編撰過程中所付出的努力，由于時間有限，書中難免會有不足之處，還請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，若有任何問題，可隨時與我們聯(lián)系。
目錄
第一章 物理光學(xué)概念介紹 6
1.1 幾何光學(xué)和光線追跡 6
1.2 物理光學(xué)和光場追跡 6
1.3 電場、磁場以及坡印廷矢量 8
1.4 振幅、相位及實部和虛部 9
1.5 振幅、相位與偏振 10
1.6菲涅爾公式 11
1.7 全反射 13
1.8倏逝波 13
第二章 光的干涉及干涉系統(tǒng)建模仿真 15
2.1 牛頓環(huán)模擬仿真 15
2.1.1 牛頓環(huán)反射系統(tǒng)預(yù)覽 15
2.1.2 光源-平面波 15
2.1.3 牛頓環(huán)參數(shù) 15
2.1.4 模擬仿真步驟 16
2.1.5總結(jié) 23
2.2 Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具干涉 23
2.2.1 F-P標(biāo)準(zhǔn)具系統(tǒng)預(yù)覽 24
2.2.2 光源-球面波 24
2.2.3 F-P標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù) 24
2.2.4 球透鏡參數(shù) 25
2.2.5 模擬仿真步驟 26
2.2.6總結(jié) 38
2.3 斐索干涉儀 38
2.3.1 斐索干涉儀系統(tǒng)預(yù)覽 38
2.3.2 光源-球面波 39
2.3.3 準(zhǔn)直透鏡參數(shù) 39
2.3.4 光束分束器參數(shù) 40
2.3.5 參考面參數(shù) 40
2.3.6 測試面參數(shù) 41
2.3.7 成像透鏡 43
2.3.8 模擬仿真步驟 43
2.3.9總結(jié) 53
2.4 楊氏雙縫干涉 54
2.4.1 楊氏雙縫干涉系統(tǒng)預(yù)覽 54
2.4.2 光源-高斯波 54
2.4.3 雙縫-可編程元件 55
2.4.4 模擬仿真步驟 55
2.4.5總結(jié) 59
2.5 剪切干涉儀 59
2.5.1 入射面基本參數(shù) 60
2.5.2 準(zhǔn)直擴(kuò)束基本參數(shù) 60
2.5.3 剪切平板基本參數(shù) 61
2.5.4 模擬仿真步驟 61
2.5.5 總結(jié) 69
2.6 馬赫-曾德爾干涉儀 70
2.6.1 馬赫-曾德爾干涉儀系統(tǒng)預(yù)覽 70
2.6.2 光源基本參數(shù) 70
2.6.3 擴(kuò)束器參數(shù) 71
2.6.4 相位延遲元件 71
2.6.5 球透鏡基本參數(shù) 72
2.6.6 模擬仿真步驟 73
2.6.7 總結(jié) 82
2.7 邁克爾遜干涉儀 83
2.7.1 邁克爾遜干涉儀預(yù)覽 83
2.7.2 光源-高斯光 83
2.7.3 分束器元件參數(shù) 84
2.7.4 反射鏡基本參數(shù) 84
2.7.5 模擬仿真步驟 85
2.7.6 總結(jié) 92
第三章 光的衍射及衍射系統(tǒng)建模仿真 93
3.1 單縫衍射 93
3.1.1 光源類型—平面波 93
3.1.2 單縫基本參數(shù) 94
3.1.3 模擬仿真步驟 94
3.1.4總結(jié) 100
3.2矩孔衍射 100
3.2.1 光源模型—平面波 101
3.2.2 矩孔基本參數(shù) 101
3.2.3 模擬仿真步驟 102
3.2.4總結(jié) 105
3.3雙縫衍射及四縫衍射 106
3.3.1雙縫衍射 106
3.3.3雙縫參數(shù) 107
3.3.4 模擬仿真步驟 107
3.3.5總結(jié) 115
3.4四縫衍射 115
3.4.1四縫衍射原理圖 115
3.4.2光源模型-平面波 115
3.4.3四縫參數(shù) 116
3.4.4 模擬仿真步驟 116
3.4.5總結(jié) 122
3.5泊松亮斑 123
3.5.1光源-高斯波 123
3.5.2圓孔參數(shù) 124
3.5.3模擬仿真步驟 124
3.5.4參數(shù)掃描 128
3.5.5總結(jié) 131
3.6菲涅爾波帶片 131
3.6.1光源-平面波 131
3.6.2圓孔參數(shù) 132
3.6.3模擬仿真步驟 133
3.6.4參數(shù)掃描 136
3.6.5總結(jié) 137
3.7閃耀光柵 137
3.7.1模擬仿真步驟 138
3.7.2參數(shù)掃描 146
3.7.3總結(jié) 150
第四章 光的偏振和晶體光學(xué) 151
4.1偏振光的介紹及偏振態(tài)的描述 151
4.1.1偏振光的介紹 151
4.1.2偏振態(tài)的描述 151
4.1.3線偏振光、徑向偏振光和角向偏振光的建模 152
4.2偏振光的生成及馬呂斯定律 163
4.2.1偏振光的生成 163
4.2.2馬呂斯定律 163
4.3偏振光的瓊斯矢量表示及偏振轉(zhuǎn)換 167
4.3.1偏振光的瓊斯矢量表示 167
4.3.2偏振器件的瓊斯矢量表示 168
4.3.3偏振變換 168
4.4單軸晶體的離散效應(yīng) 177
4.4.1原理介紹 177
4.4.2模擬仿真 178
4.5單軸晶體會聚偏振光的干涉 186
4.5.1模擬仿真 186
4.6雙軸晶體的錐形折射效應(yīng) 192
4.6.1模擬仿真 192
4.7總結(jié) 199
第五章 傅里葉光學(xué)及全息光學(xué) 200
5.1傅里葉光學(xué) 200
5.1.1簡介 200
5.1.2傅里葉透鏡 201
5.1.3傅里葉變換性質(zhì) 201
5.1.4透鏡的成像性質(zhì) 203
5.1.5透鏡傅里葉變換性質(zhì)的模擬仿真 204
5.2全息光學(xué) 208
5.2.1 全息照片的記錄 208
5.2.2 全息照片的再現(xiàn) 209
5.2.3實驗裝置圖和參數(shù) 210
5.2.4模擬仿真 211
5.2.5總結(jié) 227
5.3阿貝成像系統(tǒng) 227
5.3.1阿貝成像簡介 227
5.3.2阿貝-波特實驗 228
5.3.3阿貝成像系統(tǒng) 229
5.3.4模擬仿真 231
5.3.5總結(jié) 238
5.4 4f濾波系統(tǒng) 238
5.4.1 簡介 238
5.4.2光學(xué)系統(tǒng)模擬仿真 239
5.4.3總結(jié) 246
