VirtualLab Fusion物理光学实验教程

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前言

在物理光学中，认为光是一种电磁波。在光的电磁场理论基础上，研究光在介质中的传播规律，如光的干涉、光的衍射、光的偏振等物理现象，进而研究这些规律和现象的应用。它是一门经典理论与近代技术相结合的应用性很强的课程。由于学习物理光学需要具备较强的数学理论功底，并且对于物理光学中的概念和相关物理现象很难把握，因此使用物理光学仿真平台搭建物理实验模型，可以帮助学生更好的理解相关实验内容和实验现象。

现代光学建模技术包含了几何光学和物理光学两大领域，几何光学以费马原理为基础，通过折反定律来进行光线追迹，能够快速实现整个系统地仿真，但忽略了衍射和矢量等波动光学效应；物理光学通常以求解麦克斯韦方程组为主，如使用FDTD或者FEM等通用的全局麦克斯韦仿真求解器对整个系统进行求解，从而获得完整的电磁场信息，但由于计算量大而无法对整个复杂系统进行仿真。

为了满足现代光学系统的建模需求，德国耶拿大学Prof. Wyrowski Frank开发了高速物理光学仿真软件——VirtualLab Fusion，它利用先进的计算机数值模拟技术将物理光学中众多具有复杂、抽象概念的实验，通过简单的流程图操作形式进行建模，将物理实验中不易得到的结果通过仿真展现出来，使得用户可以脱离复杂、烦琐的实验搭建过程，从而更加直观、方便的感受物理光学实验中的各种光学现象，帮助用户准确理解物理光学的核心内容。

VirtualLab Fusion软件当中集成了从几何光学到物理光学的各种建模技术，如几何光学算子、平面波角谱法、瑞利索墨菲算子、薄元近似和傅里叶模态法等，既能够使用场追迹或经典场追迹，从物理光学角度进行快速地仿真；也可以使用传统的光线追迹，对系统进行分析。在VirtualLab中，我们根据场追迹的概念将系统分解成不同的区域，并选择合适的麦克斯韦仿真求解器（建模技术）进行求解，之后通过序列或非序列方式将各个区域连接起来，从而达到对整个系统中求解麦克斯韦方程组的效果，以获得完整的电磁场信息。另外，在软件中我们引入了多种傅里叶变换算法，如经典的快速傅里叶变换、半解析傅里叶变换以及几何傅里叶变换以实现不同类型光场在时间域与频率域间的快速转换，这也进一步提高了模拟的效率。

目前，VirtualLab Fusion的光场追迹概念正在被越来越多的高校、研究所以及企业所接受，为了满足越来越多用户地学习需求，讯技特推出了《VirtualLab Fusion物理光学实验教程》书籍，书中既包含了物理光学理论的介绍，又包含了大量逐步讲解的实用案例，包罗了物理光学当中干涉、衍射、晶体、偏振及傅里叶光学等方面的基础物理实验的详细操作过程。
期望通过此书，能够帮助用户更好的理解物理光学基础概念和实验现象，并且可以学习和掌握VirtualLab Fusion软件，享受其为光学建模和仿真所带来的便利与乐趣。

感谢讯技的工程师团队在此书的编撰过程中所付出的努力，由于时间有限，书中难免会有不足之处，还请各位同行及用户不吝指正。书中自带光盘中有软件试用安装程序及各章的案例，有兴趣读者可依次深入研究，若有任何问题，可随时与我们联系。

目录
第一章物理光学概念介绍 6
1.1 几何光学和光线追迹 6
1.2 物理光学和光场追迹 6
1.3 电场、磁场以及坡印廷矢量 8
1.4 振幅、相位及实部和虚部 9
1.5 振幅、相位与偏振 10
1.6菲涅尔公式 11
1.7 全反射 13
1.8倏逝波 13
第二章光的干涉及干涉系统建模仿真 15
2.1  牛顿环模拟仿真 15
2.1.1 牛顿环反射系统预览 15
2.1.2 光源-平面波 15
2.1.3 牛顿环参数 15
2.1.4 模拟仿真步骤 16
2.1.5总结 23
2.2  Fabry-Pérot标准具干涉 23
2.2.1 F-P标准具系统预览 24
2.2.2 光源-球面波 24
2.2.3 F-P标准具参数 24
2.2.4 球透镜参数 25
2.2.5 模拟仿真步骤 26
2.2.6总结 38
2.3  斐索干涉仪 38
2.3.1 斐索干涉仪系统预览 38
2.3.2 光源-球面波 39
2.3.3 准直透镜参数 39
2.3.4 光束分束器参数 40
2.3.5 参考面参数 40
2.3.6 测试面参数 41
2.3.7 成像透镜 43
2.3.8 模拟仿真步骤 43
2.3.9总结 53
2.4  杨氏双缝干涉 54
2.4.1 杨氏双缝干涉系统预览 54
2.4.2 光源-高斯波 54
2.4.3 双缝-可编程元件 55
2.4.4 模拟仿真步骤 55
2.4.5总结 59
2.5 剪切干涉仪 59
2.5.1 入射面基本参数 60
2.5.2 准直扩束基本参数 60
2.5.3 剪切平板基本参数 61
2.5.4 模拟仿真步骤 61
2.5.5 总结 69
2.6 马赫-曾德尔干涉仪 70
2.6.1 马赫-曾德尔干涉仪系统预览 70
2.6.2 光源基本参数 70
2.6.3 扩束器参数 71
2.6.4 相位延迟元件 71
2.6.5 球透镜基本参数 72
2.6.6 模拟仿真步骤 73
2.6.7 总结 82
2.7 迈克尔逊干涉仪 83
2.7.1 迈克尔逊干涉仪预览 83
2.7.2 光源-高斯光 83
2.7.3 分束器元件参数 84
2.7.4 反射镜基本参数 84
2.7.5 模拟仿真步骤 85
2.7.6 总结 92
第三章光的衍射及衍射系统建模仿真 93
3.1 单缝衍射 93
3.1.1 光源类型—平面波 93
3.1.2 单缝基本参数 94
3.1.3 模拟仿真步骤 94
3.1.4总结 100
3.2矩孔衍射 100
3.2.1 光源模型—平面波 101
3.2.2 矩孔基本参数 101
3.2.3 模拟仿真步骤 102
3.2.4总结 105
3.3双缝衍射及四缝衍射 106
3.3.1双缝衍射 106
3.3.3双缝参数 107
3.3.4 模拟仿真步骤 107
3.3.5总结 115
3.4四缝衍射 115
3.4.1四缝衍射原理图 115
3.4.2光源模型-平面波 115
3.4.3四缝参数 116
3.4.4 模拟仿真步骤 116
3.4.5总结 122
3.5泊松亮斑 123
3.5.1光源-高斯波 123
3.5.2圆孔参数 124
3.5.3模拟仿真步骤 124
3.5.4参数扫描 128
3.5.5总结 131
3.6菲涅尔波带片 131
3.6.1光源-平面波 131
3.6.2圆孔参数 132
3.6.3模拟仿真步骤 133
3.6.4参数扫描 136
3.6.5总结 137
3.7闪耀光栅 137
3.7.1模拟仿真步骤 138
3.7.2参数扫描 146
3.7.3总结 150
第四章光的偏振和晶体光学 151
4.1偏振光的介绍及偏振态的描述 151
4.1.1偏振光的介绍 151
4.1.2偏振态的描述 151
4.1.3线偏振光、径向偏振光和角向偏振光的建模 152
4.2偏振光的生成及马吕斯定律 163
4.2.1偏振光的生成 163
4.2.2马吕斯定律 163
4.3偏振光的琼斯矢量表示及偏振转换 167
4.3.1偏振光的琼斯矢量表示 167
4.3.2偏振器件的琼斯矢量表示 168
4.3.3偏振变换 168
4.4单轴晶体的离散效应 177
4.4.1原理介绍 177
4.4.2模拟仿真 178
4.5单轴晶体会聚偏振光的干涉 186
4.5.1模拟仿真 186
4.6双轴晶体的锥形折射效应 192
4.6.1模拟仿真 192
4.7总结 199
第五章傅里叶光学及全息光学 200
5.1傅里叶光学 200
5.1.1简介 200
5.1.2傅里叶透镜 201
5.1.3傅里叶变换性质 201
5.1.4透镜的成像性质 203
5.1.5透镜傅里叶变换性质的模拟仿真 204
5.2全息光学 208
5.2.1 全息照片的记录 208
5.2.2 全息照片的再现 209
5.2.3实验装置图和参数 210
5.2.4模拟仿真 211
5.2.5总结 227
5.3阿贝成像系统 227
5.3.1阿贝成像简介 227
5.3.2阿贝-波特实验 228
5.3.3阿贝成像系统 229
5.3.4模拟仿真 231
5.3.5总结 238
5.4 4f滤波系统 238
5.4.1 简介 238
5.4.2光学系统模拟仿真 239
5.4.3总结 246
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