前言
在物理(lǐ)光學中，認為(wèi)光是一種電(diàn)磁波。在光的電(diàn)磁場(chǎng)理(lǐ)論基礎上(shàng)，研究光在介質中的傳播規律，如光的幹涉、光的衍射、光的偏振等物理(lǐ)現象，進而研究這些(xiē)規律和(hé)現象的應用。它是一門(mén)經典理(lǐ)論與近代技(jì)術(shù)相結合的應用性很(hěn)強的課程。由于學習物理(lǐ)光學需要具備較強的數(shù)學理(lǐ)論功底，并且對于物理(lǐ)光學中的概念和(hé)相關物理(lǐ)現象很(hěn)難把握，因此使用物理(lǐ)光學仿真平台搭建物理(lǐ)實驗模型，可(kě)以幫助學生(shēng)更好的理(lǐ)解相關實驗內(nèi)容和(hé)實驗現象。
現代光學建模技(jì)術(shù)包含了幾何光學和(hé)物理(lǐ)光學兩大(dà)領域，幾何光學以費馬原理(lǐ)為(wèi)基礎，通(tōng)過折反定律來(lái)進行(xíng)光線追迹，能夠快速實現整個(gè)系統地仿真，但(dàn)忽略了衍射和(hé)矢量等波動光學效應；物理(lǐ)光學通(tōng)常以求解麥克斯韋方程組為(wèi)主，如使用FDTD或者FEM等通(tōng)用的全局麥克斯韋仿真求解器(qì)對整個(gè)系統進行(xíng)求解，從而獲得(de)完整的電(diàn)磁場(chǎng)信息，但(dàn)由于計(jì)算(suàn)量大(dà)而無法對整個(gè)複雜系統進行(xíng)仿真。
為(wèi)了滿足現代光學系統的建模需求，德國耶拿(ná)大(dà)學Prof. Wyrowski Frank開(kāi)發了高(gāo)速物理(lǐ)光學仿真軟件——VirtualLab Fusion，它利用先進的計(jì)算(suàn)機數(shù)值模拟技(jì)術(shù)将物理(lǐ)光學中衆多(duō)具有(yǒu)複雜、抽象概念的實驗，通(tōng)過簡單的流程圖操作(zuò)形式進行(xíng)建模，将物理(lǐ)實驗中不易得(de)到的結果通(tōng)過仿真展現出來(lái)，使得(de)用戶可(kě)以脫離複雜、煩瑣的實驗搭建過程，從而更加直觀、方便的感受物理(lǐ)光學實驗中的各種光學現象，幫助用戶準确理(lǐ)解物理(lǐ)光學的核心內(nèi)容。
VirtualLab Fusion軟件當中集成了從幾何光學到物理(lǐ)光學的各種建模技(jì)術(shù)，如幾何光學算(suàn)子、平面波角譜法、瑞利索墨菲算(suàn)子、薄元近似和(hé)傅裏葉模态法等，既能夠使用場(chǎng)追迹或經典場(chǎng)追迹，從物理(lǐ)光學角度進行(xíng)快速地仿真；也可(kě)以使用傳統的光線追迹，對系統進行(xíng)分析。在VirtualLab中，我們根據場(chǎng)追迹的概念将系統分解成不同的區(qū)域，并選擇合适的麥克斯韋仿真求解器(qì)（建模技(jì)術(shù)）進行(xíng)求解，之後通(tōng)過序列或非序列方式将各個(gè)區(qū)域連接起來(lái)，從而達到對整個(gè)系統中求解麥克斯韋方程組的效果，以獲得(de)完整的電(diàn)磁場(chǎng)信息。另外，在軟件中我們引入了多(duō)種傅裏葉變換算(suàn)法，如經典的快速傅裏葉變換、半解析傅裏葉變換以及幾何傅裏葉變換以實現不同類型光場(chǎng)在時(shí)間(jiān)域與頻率域間(jiān)的快速轉換，這也進一步提高(gāo)了模拟的效率。
目前，VirtualLab Fusion的光場(chǎng)追迹概念正在被越來(lái)越多(duō)的高(gāo)校(xiào)、研究所以及企業所接受，為(wèi)了滿足越來(lái)越多(duō)用戶地學習需求，訊技(jì)特推出了《VirtualLab Fusion物理(lǐ)光學實驗教程》書(shū)籍，書(shū)中既包含了物理(lǐ)光學理(lǐ)論的介紹，又包含了大(dà)量逐步講解的實用案例，包羅了物理(lǐ)光學當中幹涉、衍射、晶體(tǐ)、偏振及傅裏葉光學等方面的基礎物理(lǐ)實驗的詳細操作(zuò)過程。
期望通(tōng)過此書(shū)，能夠幫助用戶更好的理(lǐ)解物理(lǐ)光學基礎概念和(hé)實驗現象，并且可(kě)以學習和(hé)掌握VirtualLab Fusion軟件，享受其為(wèi)光學建模和(hé)仿真所帶來(lái)的便利與樂趣。
感謝訊技(jì)的工程師(shī)團隊在此書(shū)的編撰過程中所付出的努力，由于時(shí)間(jiān)有(yǒu)限，書(shū)中難免會(huì)有(yǒu)不足之處，還(hái)請(qǐng)各位同行(xíng)及用戶不吝指正。書(shū)中自帶光盤中有(yǒu)軟件試用安裝程序及各章的案例，有(yǒu)興趣讀者可(kě)依次深入研究，若有(yǒu)任何問題，可(kě)随時(shí)與我們聯系。
目錄
第一章 物理(lǐ)光學概念介紹 6
1.1 幾何光學和(hé)光線追迹 6
1.2 物理(lǐ)光學和(hé)光場(chǎng)追迹 6
1.3 電(diàn)場(chǎng)、磁場(chǎng)以及坡印廷矢量 8
1.4 振幅、相位及實部和(hé)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 14
第二章 光的幹涉及幹涉系統建模仿真 16
2.1 牛頓環模拟仿真 16
2.1.1 牛頓環反射系統預覽 16
2.1.2 光源-平面波 16
2.1.3 牛頓環參數(shù) 16
2.1.4 模拟仿真步驟 17
2.1.5 總結 24
2.2 Fabry-Pérot标準具幹涉 24
2.2.1 F-P标準具系統預覽 25
2.2.2 光源-球面波 25
2.2.3 F-P标準具參數(shù) 25
2.2.4 球透鏡參數(shù) 26
2.2.5 模拟仿真步驟 27
2.2.6 總結 39
2.3 斐索幹涉儀 39
2.3.1 斐索幹涉儀系統預覽 40
2.3.2 光源-球面波 40
2.3.3 準直透鏡參數(shù) 40
2.3.4 光束分束器(qì)參數(shù) 41
2.3.5 參考面參數(shù) 42
2.3.6 測試面參數(shù) 42
2.3.7 成像透鏡 44
2.3.8 模拟仿真步驟 45
2.3.9 總結 55
2.4 楊氏雙縫幹涉 56
2.4.1 楊氏雙縫幹涉系統預覽 56
2.4.2 光源-高(gāo)斯波 56
2.4.3 雙縫-可(kě)編程元件 57
2.4.4 模拟仿真步驟 57
2.4.5 總結 61
2.5 剪切幹涉儀 61
2.5.1 入射面基本參數(shù) 62
2.5.2 準直擴束基本參數(shù) 62
2.5.3 剪切平闆基本參數(shù) 63
2.5.4 模拟仿真步驟 64
2.5.5 總結 71
2.6 馬赫-曾德爾幹涉儀 72
2.6.1 馬赫-曾德爾幹涉儀系統預覽 72
2.6.2 光源基本參數(shù) 72
2.6.3 擴束器(qì)參數(shù) 73
2.6.4 相位延遲元件 73
2.6.5 球透鏡基本參數(shù) 74
2.6.6 模拟仿真步驟 75
2.6.7 總結 84
2.7 邁克爾遜幹涉儀 85
2.7.1 邁克爾遜幹涉儀預覽 85
2.7.2 光源-高(gāo)斯光 85
2.7.3 分束器(qì)元件參數(shù) 86
2.7.4 反射鏡基本參數(shù) 86
2.7.5 模拟仿真步驟 87
2.7.6 總結 94
第三章 光的衍射及衍射系統建模仿真 95
3.1 單縫衍射 95
3.1.1 光源類型—平面波 95
3.1.2 單縫基本參數(shù) 96
3.1.3 模拟仿真步驟 96
3.1.4 總結 102
3.2 矩孔衍射 102
3.2.1 光源模型—平面波 103
3.2.2 矩孔基本參數(shù) 103
3.2.3 模拟仿真步驟 104
3.2.4 總結 107
3.3 雙縫衍射及四縫衍射 108
3.3.1 雙縫衍射 108
3.3.2 光源模型—平面波 108
3.3.3 雙縫參數(shù) 109
3.3.4 模拟仿真步驟 109
3.3.5 總結 117
3.4 四縫衍射 117
3.4.1 四縫衍射原理(lǐ)圖 117
3.4.2 光源模型-平面波 117
3.4.3 四縫參數(shù) 118
3.4.4 模拟仿真步驟 118
3.4.5 總結 124
3.5 泊松亮斑 125
3.5.1 光源-高(gāo)斯波 125
3.5.2 圓孔參數(shù) 126
3.5.3 模拟仿真步驟 126
3.5.4 參數(shù)掃描 129
3.5.5 總結 133
3.6 菲涅爾波帶片 133
3.6.1 光源-平面波 133
3.6.2 圓孔參數(shù) 134
3.6.3 模拟仿真步驟 134
3.6.4 參數(shù)掃描 138
3.6.5 總結 139
3.7 閃耀光栅 139
3.7.1 模拟仿真步驟 140
3.7.2 參數(shù)掃描 148
3.7.3 總結 151
第四章 光的偏振和(hé)晶體(tǐ)光學 152
4.1 偏振光的介紹及偏振态的描述 152
4.1.1 偏振光的介紹 152
4.1.2 偏振态的描述 152
4.1.3 線偏振光、徑向偏振光和(hé)角向偏振光的建模 153
4.2 偏振光的生(shēng)成及馬呂斯定律 162
4.2.1 偏振光的生(shēng)成 162
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換 167
4.3.1 偏振光的瓊斯矢量表示 167
4.3.2 偏振器(qì)件的瓊斯矢量表示 167
4.3.3 偏振變換 168
4.4 單軸晶體(tǐ)的離散效應 176
4.4.1 原理(lǐ)介紹 176
4.4.2 模拟仿真 177
4.5 單軸晶體(tǐ)會(huì)聚偏振光的幹涉 184
4.5.1 模拟仿真 184
4.6 雙軸晶體(tǐ)的錐形折射效應 190
4.6.1 模拟仿真 190
4.7 總結 197
第五章 傅裏葉光學及全息光學 198
5.1 傅裏葉光學 198
5.1.1 簡介 198
5.1.2 傅裏葉透鏡 199
5.1.3 傅裏葉變換性質 199
5.1.4 透鏡的成像性質 201
5.1.5 透鏡傅裏葉變換性質的模拟仿真 202
5.2 全息光學 206
5.2.1 全息照片的記錄 206
5.2.2 全息照片的再現 206
5.2.3 實驗裝置圖和(hé)參數(shù) 207
5.2.4 模拟仿真 209
5.2.5 總結 224
5.3 阿貝成像系統 224
5.3.1 阿貝成像簡介 224
5.3.2 阿貝-波特實驗 225
5.3.3 阿貝成像系統 226
5.3.4 模拟仿真 227
5.3.5 總結 235
5.4 4f濾波系統 235
5.4.1 簡介 235
5.4.2 光學系統模拟仿真 236
5.4.3 總結 243
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