高等光学仿真知识教育.pdf

MATLAB开发实例系列图书 高等光学仿真 (MATLAB版〉 一一光波导，激光 主编欧攀 副主编戴一堂王爱民 柳 强李立京伊小素 法r支敏理雄，久，头苍也鼠拉 a...L. ..- 目。言 21世纪是信息时代，信息学科和信息产业的迅猛发展促使传统的光学仪器科学向光电信 息学科扩展。现代光电信息学科及其产业的发展要求新一代的科学研究人员与工程技术人 员除了具有扎实的理论基础，还应具有应用所学理论建模并仿真求解光电信息学科及现代 光学中各种问题的能力，成为知识结构新和创新能力强的高层次人才。光波导和激光是现代 光电信息科学中两个举足轻重研究方向。本书以这两个方向的光学内容为基础，从基本的 物理概念出发，建立相应的理论模型， 并将这些光学问题归纳为特征方程求根、积分求解、 常微分方程求解等几类数值求解问题，在对相应的数值分析方法进行简要介绍的基础上结 合MATLAB 强大的数值计算和图形显示功能，完成光学问题的仿真计算并给出图形化的显 示结果。 也就是通过光学仿真计算，利用 MATLAB 编程来完成现代光学典型问题的模型求 解，通过数据和图形来展示现代光学问题的本质，力求形成理工结合、经典理论与现代数值 方法紧密结合的新体系。长期以来， 由于光学课程中的概念繁多、物理规律较为抽象，理论 教学对实验的依赖性较强，特别是其中的一些光学现象和规律缺乏细致的数学推导，再加上 授课教师一直沿袭传统的口授笔演的教学方式，这些都给学生学习该门课程带来了诸多困难， 因而该门课程的教学效果也总是不尽如人意。在这种情况下，笔者认为，光学课程需要形象 生动的教学， 需要现代化的教学手段，千方百计地为学生提供观察光学物理现象的机会，提 高学生学习光学课程的兴趣，培养学生的思维水平和创新能力。 国内光学方面的著作内容多集中在理论方面，鲜有介绍如何对理论模型进行数值求解的 案例。而在科学研究和工程应用中不仅要求能够根据实际情况选择适当的理论建立模型，更 为重要的是要能够结合实际情况仿真求解理论模型，并在此基础上对模型的某些关键参数进 行优化，最终用于指导科学研究和工程应用。本书将MATLAB 用于光学仿真中，将具体介 绍如何利用 MATLAB 来仿真光学中两个举足轻重的研究方向一一光波导和激光中的一系列 理论模型， 通过这些仿真过程和结果能够进一步加深对光波导和激光的理解和应用。本书的 大部分内容已经在北京航空航天大学等高校相关专业的研究生选修课程中讲授过，受到了学 生的普遍欢迎。由于MATLAB 语言在很多理工专业的后续课程中发挥着很大的作用， 建议 有条件的学校也开设相应的课程。使学生能认识和掌握该语言，提高对光学问题仿真求解的 水平，为更深入的科学研究打下扎实的基本功。 本书作者在高等光学仿真与计算的教学过程中，通过下列方式将MATLAB 与光学课程 有机结合起来: 一是以MATLAB 为平台，开发制作了光波导和激光等高等光学现象仿真程序， 并运用 于计算机所支持的课堂教学中，以其作为演示实验配合光学理论的讲授，很好地解决了真实 实验因环境限制而不能进入课堂的难题。 二是利用 MATLAB 的仿真与计算功能，鼓励学生通过自主探索，去研究高等光学课程 中的一些更深入的问题。在掌握理论知识的前提下，让学生建立相应的物理模型和数学模型， 然后利用 MATLAB 编写程序， 去完成对知识的巩固与拓宽。 这是一种探索过程，也是为学 生以后的研究工作奠定基础。因此，在本书每一章的最后一节都提供了一定数量的习题，供 学生巩固并加深理解该章的相关光学模型及其仿真计算。 高等光学仿真 (MATLAB版) 一一光波导，激光 IlfUí丽哩 三是利用 MATLAB 的计