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f 8uVk|a 前言 !J6k \$r XE>X zsnC 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�，可以幫助學(xué)生更好的理解相關(guān)實驗內(nèi)容和實驗現(xiàn)象。 ZsV'-gu 8`*`4m 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。 %Y!lEzB5 &t6L8[#yd 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。 8ztY_"]3p U1&m-K 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。 u37+B $T*kpUXH} 目前，VirtualLab Fusion的光場追跡概念正在被越來越多的高校、研究所以及企業(yè)所接受，為了滿足越來越多用戶地學(xué)習(xí)需求，訊技特推出了《VirtualLab Fusion物理光學(xué)實驗教程》書籍，書中既包含了物理光學(xué)理論的介紹，又包含了大量逐步講解的實用案例，包羅了物理光學(xué)當(dāng)中干涉、衍射、晶體、偏振及傅里葉光學(xué)等方面的基礎(chǔ)物理實驗的詳細(xì)操作過程。 l[h??C` 期望通過此書，能夠幫助用戶更好的理解物理光學(xué)基礎(chǔ)概念和實驗現(xiàn)象，并且可以學(xué)習(xí)和掌握VirtualLab Fusion軟件，享受其為光學(xué)建模和仿真所帶來的便利與樂趣。 gWJLWL2 u/,m2N9cL 感謝訊技的工程師團(tuán)隊在此書的編撰過程中所付出的努力，由于時間有限，書中難免會有不足之處，還請各位同行及用戶不吝指正。書中自帶光盤中有軟件試用安裝程序及各章的案例，有興趣讀者可依次深入研究，若有任何問題，可隨時與我們聯(lián)系。 5qFqH
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目錄 M\T6cN@m
第一章 物理光學(xué)概念介紹 6 Z/2#h<zj
1.1 幾何光學(xué)和光線追跡 6 0gnr@9,X
1.2 物理光學(xué)和光場追跡 6 7ZJYT#>b
1.3 電場、磁場以及坡印廷矢量 8 X+hyUz(%R
1.4 振幅、相位及實部和虛部 9 58=fT1
B
1.5 振幅、相位與偏振 10 tF=96u_X
1.6菲涅爾公式 11 N b+zP[C
1.7 全反射 13 )FgcNB 1|7
1.8倏逝波 13 uS<&$J H
第二章 光的干涉及干涉系統(tǒng)建模仿真 15 okfhd{9
2.1 牛頓環(huán)模擬仿真 15 .Z9Bbab:
2.1.1 牛頓環(huán)反射系統(tǒng)預(yù)覽 15 m@ TU2
2.1.2 光源-平面波 15
!$&K~>`
2.1.3 牛頓環(huán)參數(shù) 15 @m w1(J
2.1.4 模擬仿真步驟 16 g.z/%Lp K
2.1.5總結(jié) 23 AC
3 ;i
2.2 Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具干涉 23 m:K/ )v*
2.2.1 F-P標(biāo)準(zhǔn)具系統(tǒng)預(yù)覽 24 h( Iti&
2.2.2 光源-球面波 24 ]Wfnpqc^
2.2.3 F-P標(biāo)準(zhǔn)具參數(shù) 24 G0<m3 Up
2.2.4 球透鏡參數(shù) 25 cp]\<p('A
2.2.5 模擬仿真步驟 26 C
! uwD
2.2.6總結(jié) 38 E Xo"F*gW
2.3 斐索干涉儀 38 k}JjSt1_A;
2.3.1 斐索干涉儀系統(tǒng)預(yù)覽 38 &Tl3\T0 D
2.3.2 光源-球面波 39 _jP]ifu`
2.3.3 準(zhǔn)直透鏡參數(shù) 39 _d,_&7
2.3.4 光束分束器參數(shù) 40 (?oK+,v?L
2.3.5 參考面參數(shù) 40 OCF= )#}qd
2.3.6 測試面參數(shù) 41 hfVJg7-
2.3.7 成像透鏡 43 Pq !\6s@
2.3.8 模擬仿真步驟 43 'Kc;~a
2.3.9總結(jié) 53 ^|Oxl fS
2.4 楊氏雙縫干涉 54 (i&:=Bfn)
2.4.1 楊氏雙縫干涉系統(tǒng)預(yù)覽 54 gh3_})8c
2.4.2 光源-高斯波 54 @7.Ews5Mke
2.4.3 雙縫-可編程元件 55 0riTav8
2.4.4 模擬仿真步驟 55 n {=vP`V_
2.4.5總結(jié) 59 2gukK8R$
2.5 剪切干涉儀 59 o5A@U0c_
2.5.1 入射面基本參數(shù) 60 ,uK
}$l
2.5.2 準(zhǔn)直擴(kuò)束基本參數(shù) 60 %n T!u!#
2.5.3 剪切平板基本參數(shù) 61 ig jr=e
2.5.4 模擬仿真步驟 61 w8$ 8P
2.5.5 總結(jié) 69 +>Y2luR1
2.6 馬赫-曾德爾干涉儀 70 }eSaF@.
2.6.1 馬赫-曾德爾干涉儀系統(tǒng)預(yù)覽 70 #sN]6
2.6.2 光源基本參數(shù) 70 }-!
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