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新的一个学期开始了，欧老师的研究生专业课《光学仿真与计算》又要跟同学们见面啦。
为了深入理解光学现象的物理本质并对相关的研究内容进行优化和改进，需要从理论上入手，进行大量的科学计算和仿真分析。由于本专业的研究生在光学理论建模及其数值仿真分析方面的课程较少，因此相应的计算分析能力也比较弱。
本课程将从光学相关内容的理论出发，采用数学软件作为工具，建立光学理论仿真与计算分析系统，为今后开展光学相关技术研究打下基础。
课程的主要章节学时分配：
第一章绪论（2学时讲课）
第二章光的干涉和衍射（2学时讲课）
第三章光的电磁理论基础及理想平板介质光波导中的光传播特性及仿真（4学时讲课，2学时上机实验）
第四章光纤（圆柱光波导中）的光传播特性及仿真（4学时讲课，2学时上机实验）
第五章高斯光束和光纤耦合（4学时讲课，2学时上机实验）
第六章激光原理及仿真（4学时讲课）
第七章高功率双包层光纤及其仿真（4学时讲课，2学时上机实验）
课程以多媒体课堂讲授和上机实验指导为主，结合课堂讨论、自学、文献查阅等。通过实例学习用MATLAB的方程求根、数值积分、数值微分等函数求解平面光波导和光纤中的模式问题、光束耦合效率问题和激光速率方程问题等，举一反三解决更多仿真问题。
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。
本课程所采用的教材是欧老师主编的《高等光学仿真（MATLAB版）——光波导，激光（第3版》，该书作为北京航空航天大学研究生课程“光学仿真与计算”教材，已经连续该课程中投放使用了10个学期。
本书以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。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，也可为学生以后的研究工作奠定基础。对于光电信息科学与工程相关专业的研究生和高年级本科生培养具有很好的帮助和引导作用。
由于本书具有条理清晰、难度适中、重点突出等优点，教学效果非常好，受到使用师生的一致好评。据不完全统计，本书被清华大学研究生课程“激光工程”、天津大学研究生课程“光电子数值仿真技术”、深圳大学研究生课程“光纤光学”等作为教材和参考书使用。并被多所高校图书馆馆藏。
在当当网、京东网等网上书店，该书销售情况良好。甚至远在英国的南安普顿大学也有留学生把该书带去作为参考书使用。
本书第1版当当网部分读者评价截图
本书第2版当当网部分读者评价截图
光波导和激光是现代光电信息科学中举足轻重的两个研究方向。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，给学生学习该门课程带来了诸多困难，因而光学课程的教学效果也总是不尽如人意。
在这种情况下，作者认为，光学课程需要形象生动的教学，需要现代化的教学手段，老师应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，具体介绍如何利用MATLAB来仿真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，也可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。
三是利用MATLAB的计算、绘图与优化功能，启发学生对数学模型中的参数进行改变，根据实际物理条件选择符合要求的最优值，并获得最优条件下的参数值，最终通过理论仿真来指导实践。完成实践（参数获取）---理论（物理模型建立）---仿真（MATLAB数值计算及绘图）---优化（MATLAB参数改变及优化）---实践（最优参数选取）的过程，让学生真切感受科学技术是第一生产力。
基于以上指导思想，全书共分为7章。
第1章主要介绍光的电磁理论基础。从麦克斯韦方程组出发，根据麦克斯韦电磁理论，利用电矢量和磁矢量来分析光波在两介质表面的反射特性，并结合MATLAB仿真计算光波从光疏介质进入光密介质，以及光波从光密介质进入光疏介质时的反射率、透射率、相位等随入射角度的变化关系，得到布鲁斯特角、全反射、倏逝波等基本概念及特性。
第2章主要介绍光的干涉和衍射仿真。从光的干涉原理出发，分析了波前分割干涉、波幅分割干涉和多光束干涉，并仿真计算得到了杨氏双缝干涉和牛顿环的仿真图案、法布里--珀罗干涉仪的透射曲线。从光的衍射原理出发，仿真计算了单缝衍射、双缝衍射的图样，基于圆孔衍射给出了艾里斑的仿真结果，并给出了白光的杨氏双缝干涉和单缝衍射，最后介绍了衍射的傅里叶光学仿真。
第3章采用的是本征模方法，利用有限空间的波动光学理论分析光在介质光波导（理想平板介质光波导）中的传播特性。由于受到介质边界条件的限制，根据不同的边界条件，对麦克斯韦方程或相应的波动方程求解后，可以得到其特征方程。在推导出理想平板介质光波导最基本的TE模和TM模的特征方程后，利用MATLAB的方程求根函数即可对特征方程进行数值求解，从而得到其中TE模（或TM模）的传输特性。
第4章首先介绍光纤的基本概念；然后从光波在光纤（圆柱光波导）中传输的圆柱坐标系下亥姆霍兹方程出发，得到阶跃折射率光纤中光波传输的Bessel方程，结合光波在光纤中传输的边界条件，推导出弱导近似下的特征方程，并利用MATLAB中的Bessel函数以及数值求根函数，对弱导近似下的特征方程进行数值求解，获得光纤的归一化工作频率、归一化横向相位参数、归一化横向衰减参数等数据；再通过MATLAB的三维作图功能，将不同参数光纤中的电场分布特性展示出来。
第5章着重介绍高斯光束和光纤的耦合。由于高斯光束是光场亥姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，该特解不仅可以用来描述基模激光在空间中的传输，而且可以用来近似描述从光纤端面出来的LP01模的辐射场，具有重要的物理意义。通过介绍高斯光束的基本性质、复参数表示、ABCD定律，得到高斯光束通过复杂光学系统以及薄透镜的变换，并得到其聚焦特性；在此基础上给出了光纤端面辐射场，并结合MATLAB仿真辐射场的函数特性；最后给出了光纤的光功率发射和耦合，并用MATLAB的积分求解函数计算了LED与单模光纤的耦合效率以及光纤与光纤连接的耦合效率。
第6章从激光的基本原理出发，介绍辐射与物质的相互作用，关于自发辐射、受激辐射和受激吸收的爱因斯坦关系式，吸收与光学增益，激光器的基本构成，激光速率方程和激光调Q技术等内容。以一种典型的被动调Q的微晶片激光器为例，给出了其被动调Q的速率方程组，该速率方程组可以简化为一个具有3个自变量的常微分方程组。利用MATLAB的常微分方程初值问题求解函数即可对该被动调Q速率方程组进行仿真求解，得到被动调Q的微晶片激光器的脉冲时域特性以及被动调Q过程中光子数密度和反转粒子数密度随时间的变化关系。
第7章重点介绍一种新型的激光器------高功率双包层光纤激光器。光纤激光器是以掺杂光纤作为增益介质的一类激光器。光纤激光器和其他类型的激光器一样，由能产生光子增益的工作介质、使光子得到反馈并在工作介质中进行谐振放大的光学谐振腔和激励光子跃迁的抽运源3部分组成。只不过光纤激光器的工作介质是同时起着波导作用的掺杂光纤。因此，光纤激光器是一种波导型的谐振装置。在本章中分别给出了端面抽运和侧面抽运两种情况下的双包层光纤激光器的理论模型，利用MATLAB的常微分方程边值问题求解函数，并结合双包层光纤激光器的边值条件对其速率方程组进行仿真求解，得到抽运光、激光以及反转粒子数密度沿光纤长度的变化。
书中大量运用到求解各类模型的数值计算方法，主要有方程求根的数值解法、数值积分方法、常微分方程的初值问题数值求解、常微分方程的边值问题数值求解。考虑到学习本书的读者数学方面的知识背景不尽相同，为了让读者在尽量少的时间内理解数值求解的基本思路和方法，并运用MATLAB相应的模型进行数值求解，在每章的习题前都有一节用于介绍数学和MATLAB相关方面的补充知识，从而减轻读者在学习过程中的负担。
欢迎热爱光学和MATLAB的你前来选课。如果想学MATLAB更多的应用，可以买本欧老师的《高等光学仿真（MATLAB)版——光波导，激光（第3版）》来看看。
文末说句正事
由于