### 工程光学与MATLAB仿真 #### 一、引言与背景介绍 《Engineering Optics With MATLAB》是一本深入浅出地介绍了工程光学领域的传统主题，并结合MATLAB这一广泛使用的软件工具进行理论与应用模拟的专业书籍。该书由Ting-Chung Poon和Taegeun Kim两位在光学领域具有深厚研究背景的学者共同编著，通过本书的学习，读者不仅能够掌握几何光学的基础知识，还能够了解到波传播与衍射的基本原理以及傅立叶光学的一些核心概念。 #### 二、内容概览 本书共分为两个主要部分：第一部分介绍了传统的光学主题；第二部分则侧重于声光效应与电光效应的基础及其MATLAB仿真。 - **第一部分：传统光学主题** - **几何光学**：本书首先从费马原理出发，系统地介绍了几何光学的基础概念，包括光线传播规律、反射与折射定律等。 - **波传播与衍射**：随后，书中详细讲解了波动理论下的光波传播机制，特别是对于衍射现象的分析，如菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射等。 - **傅立叶光学**：这部分内容重点讲述了傅立叶变换在光学中的应用，尤其是如何利用傅立叶变换理解光场的分布及变化。 - **第二部分：现代光学技术及其MATLAB仿真** - **声光与电光效应**：这部分内容着重介绍了声光效应与电光效应的基本原理，以及它们在实际应用中的重要性。 - **MATLAB仿真**：为了帮助学生更好地理解和掌握上述理论，书中提供了大量的MATLAB程序实例，例如高斯光束的衍射、分步光束传播方法等。 #### 三、几何光学基础 几何光学是光学的一个分支，主要研究光在介质界面处的行为，如反射、折射和成像等问题。本书在介绍这部分内容时，强调了从费马原理出发来推导基本的几何光学定律的重要性。费马原理指出，光线总是沿着所需时间最短的路径传播，这一原理为几何光学提供了一个简洁而强大的理论基础。 #### 四、波动光学与衍射 波动光学则是研究光作为一种波动现象的学科。书中详细介绍了光波的传播特性，特别是衍射现象，这涉及到菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射等不同类型的衍射现象。通过对这些现象的数学建模，读者可以更深刻地理解波动光学的核心原理。 #### 五、傅立叶光学的应用 傅立叶光学是将傅立叶变换应用于光学系统的研究，它能够帮助我们更好地理解光场的频谱特性以及空间频率的变化。书中通过具体的例子，展示了如何利用MATLAB进行傅立叶变换的计算，这对于理解和设计光学系统具有重要意义。 #### 六、声光与电光效应 - **声光效应**：当光通过声场时，会受到声波的影响，这种现象称为声光效应。书中介绍了如何利用MATLAB模拟声光调制器的工作原理。 - **电光效应**：当光通过电场时，其传播性质会发生变化，这就是电光效应。本书通过具体实例，演示了如何使用MATLAB对电光调制器进行建模和仿真。 #### 七、MATLAB仿真案例 - **高斯光束的衍射**：本书提供了详细的MATLAB代码示例，用于模拟高斯光束通过障碍物时发生的衍射现象。 - **分步光束传播方法**：这是一种数值方法，用于模拟光束在非均匀介质中的传播。书中给出了如何使用MATLAB实现这一方法的具体步骤。 #### 八、结论 《Engineering Optics With MATLAB》这本书不仅涵盖了光学的基本原理，而且还提供了大量的MATLAB编程实例，使得理论知识与实际应用相结合，非常适合光学领域的初学者以及希望深入了解光学模拟的学生和研究人员阅读。通过本书的学习，读者可以建立起坚实的光学理论基础，并掌握使用MATLAB进行光学模拟的技能。

《FDFD.jl：纯Julia实现的电磁学有限差分频域方法》 FDFD.jl是一个专门用于电磁学领域的计算软件，它基于开源编程语言Julia，实现了有限差分频域（Finite Difference Frequency Domain，简称FDFD）方法。FDFD是一种强大的数值计算技术，广泛应用于光子学、微波工程、纳米光学等领域，用于求解波动方程，分析和设计电磁结构。 我们来深入了解FDFD方法。在电磁学中，麦克斯韦方程是描述电磁场变化的基本方程。FDFD方法是将这些偏微分方程转化为离散的代数方程组，通过在空间和频率域进行离散化来逼近连续问题。这种方法的优势在于能够处理复杂几何形状和非均匀介质，同时保持较高的计算效率。在FDFD算法中，通常采用中心差分法对空间导数进行近似，而傅里叶变换则用于处理频率域的关系。 Julia语言是FDFD.jl的核心，它的设计目标是提供高性能科学计算的能力，同时保持易于使用和可读性强的代码。Julia的动态类型和Just-In-Time (JIT)编译使其在数值计算领域表现出色，可以与C、Fortran等传统科学计算语言相媲美。FDFD.jl利用Julia的这些特性，能够快速高效地执行电磁模拟任务。 在FDFD.jl项目中，`FDFD.jl-master`目录可能包含了源代码、示例、文档和测试等资源。源代码通常会包含定义网格、设置边界条件、执行傅里叶变换以及求解线性系统的函数。开发者和用户可以通过阅读和修改这些代码来定制自己的电磁模型，例如设计光波导、谐振器或者研究纳米结构的光谱特性。 FDFD方法的一个重要应用是波导分析。波导是传输电磁波的结构，如光纤通信和光子集成电路中的关键组成部分。通过FDFD，我们可以计算出波导的传播常数、模式分布以及损耗，这对于理解和优化波导性能至关重要。 此外，FDFD方法在纳米光子学中也有广泛的应用。纳米光子学研究的是尺度达到纳米级别的光与物质相互作用，这涉及到局域表面等离子体共振、光子晶体和超材料等前沿领域。FDFD可以模拟这些结构的电磁响应，预测其光学性质，为新型光子器件的设计提供理论支持。 FDFD.jl是利用Julia语言实现的电磁学计算工具，它为研究者和工程师提供了强大且灵活的平台，以解决各种电磁问题，包括但不限于光学、微波工程和纳米光子学。通过深入理解和运用这个库，我们可以更深入地探索和设计电磁系统，推动相关领域的科技进步。

标题“Quaternion Polarization Optics and its Applications in Fibers（特邀报告）”和描述指出了这篇研究论文的主题：四元数极化光学及其在光纤中的应用。四元数是一种数学工具，它在物理领域（包括光学）中用来表示旋转和变换。在这篇特邀报告中，将探讨如何利用四元数方法来描述极化光学中的现象，并且强调这一理论在光纤技术中的实际应用。 介绍四元数的动机部分，讨论了在Poincaré球面上偏振态（State of Polarization, SOP）的旋转，以及偏振态演变的直观性。文章指出，传统使用Mueller矩阵的方法不够直观，且无法有效地描述偏振态的旋转过程。四元数方法因其仅涉及两个分量：轴（向量）和角度（标量），而被提出作为一种新的、能够直观处理偏振态旋转的代数工具。 四元数的概念及其代数部分，介绍了四元数的历史、定义和重要操作。四元数由著名数学家和物理学家W.R. Hamilton于1843年提出，它是一个封闭且自包含的代数系统，不仅包括了标量和向量的乘法，还包含了点积和叉积。四元数可以定义多种函数，如指数函数、三角函数和对数函数等。Euler公式在四元数域中也有其对应的表达形式，四元数由于其特殊的代数性质，在描述自然界中的四元数现象（例如时间与位置、能量与动量、频率与波矢量、标量势与矢量势等）时非常有效。 然后，进入四元数极化光学的基础概念，探索如何将矩阵转换为四元数表示。由于四元数在描述旋转和变换方面的能力，它非常适合用于表述和分析偏振光学中的复杂现象。文章说明了如何利用Pauli矩阵将矩阵分解，并构造相应的四元数，这是将传统光学模型与四元数方法结合的关键步骤。 讨论了四元数极化光学的应用，特别是其在光纤技术中的应用。四元数方法不仅提供了一种新的方式来理解和操纵光的极化状态，而且在光纤通信、光学传感、以及光学数据处理等领域有着潜在的应用价值。报告的结论部分可能会总结四元数极化光学的重要性，并预测未来的发展方向和应用前景。 整体而言，这篇特邀报告提供了一个深入的视角，通过四元数这一数学工具来理解和操作光学中的极化现象，同时强调了这一理论在实际应用中的重要性，尤其是在光纤技术领域。通过展示四元数如何简化偏振态描述、提供直观的物理模型，并在复杂变换中保持代数的简洁性，报告对研究者和工程师提供了实用的理论基础，并可能激发后续研究和技术创新。

光学是一门研究光的性质、现象、传播规律以及应用的学科，它包括经典光学和现代光学两个大的分支。经典光学主要研究光的波动性质，包括几何光学和波动光学，而现代光学则更倾向于研究光的粒子性以及与物质的相互作用，包括量子光学、非线性光学等。本书“Classical and Modern Optics”就是一本旨在涵盖经典与现代光学理论基础和应用的英文教科书。 书中提到了线性代数的部分，这是光学理论中不可或缺的数学工具。线性代数的概念和方法在描述光的传播、分析光学系统等方面发挥着至关重要的作用。书中详细介绍了线性代数的基础知识，比如定义、线性变换、矩阵运算、特征值和特征向量等。这些数学工具是理解和应用光学原理的基础，因此在书中占有重要的地位。 然后，书中转向了光线光学（Ray Optics），这是一个经典的光学分支，它基于光线的概念，使用光线追踪的方法来描述光在空间中的传播路径。本书详细讨论了光线光学的基本原则，包括费马原理（Fermat’s Principle）及其应用，以及抛物线光线（Paraxial Rays）的概念，这是在小角度或小孔径情况下对光线传播的近似处理，对于简化复杂的光学系统分析至关重要。矩阵光学（Matrix Optics）作为光线光学的一个重要部分，通过矩阵方法来描述光线经过光学系统的过程，使得光学系统的分析和设计可以更为系统和直观。 进一步，书中探讨了复合光学系统（Composite Systems），特别是薄透镜（Thin Lens）的光学模型，这是一个研究多个光学元件组合在一起时整体系统性能的典型例子。复合系统分析在光学设计和系统优化中扮演了重要角色，使得我们能够理解和预测复杂系统中的光线行为。 稳定腔（Resonator Stability）是激光物理中的一个重要概念，书中专门对此进行了讨论。稳定性条件、周期性运动和标准形式的稳定性分析都是这部分内容的重点，它们对于理解激光器工作原理以及确保激光系统稳定运行具有基础性的作用。 书中提及了非抛物线光线（Nonparaxial Rays），这是对光线光学的一个重要补充。在大角度或大孔径条件下，光线的抛物线近似不再成立，必须使用非抛物线光线来精确描述光线的传播，这是对光学系统进行高精度分析的必要条件。 本书作者是Daniel A. Steck，他来自美国俄勒冈大学的光学中心以及物理系。本书在2006年首次出版，并在2017年进行了修订。本书遵循开放出版许可（Open Publication License）规定，允许在满足一定条件下的分享和复制，但对修改版本和衍生作品的分发则需要获得版权持有人的明确许可。 本书的编写得到了多方面的贡献，比如Jonathan Mackrory、Kirk Madison、Eryn Cook等人对书稿提出了修改建议，还有很多人提供了纠正和评论。这体现了本书在撰写和修订过程中吸收了来自学术界和研究领域的广泛意见，提高了其内容的准确性和教学的适用性。 这本书的目录结构分为多个部分，涵盖了线性代数回顾、光线光学、复合系统、稳定腔以及非抛物线光线等内容，这为读者提供了一套系统的光学知识体系。其中，线性代数的回顾为理解光学中的数学模型打下了基础；光线光学及其应用，费马原理的例证，矩阵光学的方法论，以及复合系统分析，尤其是薄透镜模型，这些都构成了光学系统设计和分析的基础；稳定腔的讨论深入到了激光物理学的核心内容；非抛物线光线的介绍则为高级光学问题的解决提供了理论支持。这些内容的覆盖使本书成为光学领域内一本全面且深入的参考资料。 作为对本书内容的总结，其不仅在学术界得到认可，也对学习和应用光学知识的人士提供了极大的帮助，特别是书中将复杂光学理论以简化的方式呈现出来，这正是英文科技文献中比较常见的优秀表述方式，与中文文献的表达方式形成了鲜明对比。对于希望了解和深入研究光学的学生和专业人士来说，这本书无疑是一本宝贵的资源。

Springer出版社经典光学典籍，该文件是完整版下冊。从理论与应用角度做出了近乎完美的论述，2007年出版。

Springer出版社经典光学典籍，该文件是完整版上冊。从理论与应用角度做出了近乎完美的论述，2007年出版。

Max Born, Emil Wolf - Principles of Optics_ 60th Anniversary Edition (2019, Cambridge University Press) - libgen.lc 光学原理（英文版）

剑桥大学出版的一本，量子光学书，是入门级的相对简单易懂一些，很经典对相干态有详细的描述、

Optics Handbook Of Optical Materials

国外经典量子光学书 Mark Fox著 牛津大学出版 值得一读