Day1 Numerical simulation of optical wave propagation之标量衍射理论基本原理(一)

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《Numerical simulation of optical  wave propagation》内容

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1. 介绍光波传输的基础理论、离散采样方法、基于MATLAB平台的编码实例以及具体应用场合。

2. 涉及到衍射光学现象，特别是结合传输的路径和传输的介质，已经无法得到准确的解析解，常常需要利用数值离散的算法来得到逼近真实结果的数值解，并最终给出可视化的图形结果。但对于衍射现象数值模拟仿真难度比较大，且需要的计算资源较多，利用离散傅里叶变换的数值方法是最常用的数值方法，即在有限尺寸网格点上进行离散空间取样，这就需要运算速度、内存和精度之间的权衡。为了确定取样点参数，使用者必须仔细考虑计算速度、可能的计算内存资源、奈奎斯特取样标准、几何形状、准确的光源孔径大小以及目标传播场的影响。

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第一章 标量衍射理论基本原理

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 光可以用两个完全不同的方法来描述：

量子动力学：光子是没有质量和电荷的基本粒子，并且包含一个或多个光子。——用于光的亚微观属性

经典动力学：电磁场是空间和时间的连续函数，并且光包含共同振荡的电和磁波场。——用于光的宏观属性

几何光学范畴：当电磁波的波长非常小接近0时，波沿直线传播，经过物体边缘不发生弯曲。

非几何光学范畴：许多几何光学不足以描述的现象，如衍射。

  1.经典动力学基础

(1) 电场和磁场的源

如果电荷的分布不是均匀的或电荷在一个微小的电流回路里循环，就会产生电场或磁场。

a. 电荷是守恒的。在物理学中，连续方程乃是描述守恒量传输行为的偏微分方程。   （概念可百度百科）

b. 如果体材料的电荷有许多微小的偶极子排列而成，就可以说体材料被电极化了。体极化密度是P(r,t)（c*m/M^3=C/m^2）是单位体积内电偶极矩的密度，电偶极矩用来描述电荷的距离，即间隔电荷的数量乘以间隔距离。

c. 如果体材料的内电流由许多小回路排列而成，就可以说体材料被磁化了。体磁化密度M(r,t)（A*m^2/m^3=A/m）是每单位体积内磁偶极矩的密度，磁偶极矩用来描述微电流回路里循环的电荷，即循环电流乘以回路的面积。

(2) 电和磁场

运动的电荷在电磁场中受到的力称之为洛伦磁力。

电场力与电场的方向不是相同就是相反，所以称之为推拉力。

磁场产生的力与粒子的速度方向垂直，将使粒子的运动轨迹发生偏转，因此称之为偏转力。

(3)麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组描述了带电粒子和物体如何产生电场和磁场