自本書2011年第1版、2014年第2版出版以來，又發(fā)生了幾件跟光學(xué)和仿真計算有關(guān)的重大事件——引力波探測和黑洞照片誕生，等。

1915年，愛因斯坦用他天才的物理直覺，提出了廣義相對論，顛覆了人類對時空本質(zhì)的認(rèn)知�；堇崭爬◤V義相對論的精髓為“時空決定物質(zhì)如何運動，物質(zhì)決定時空如何彎曲”。

廣義相對論給出了很多重要的預(yù)言，100多年來，這些預(yù)言逐一得到實驗和觀測的證實。其中2015年，美國激光干涉引力波天文臺（LIGO）第一次直接探測到雙黑洞并合事件產(chǎn)生的引力波，促成這一發(fā)現(xiàn)的幾位物理學(xué)家斬獲了2017年諾貝爾物理學(xué)獎。2019年4月10日，事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT）項目公布了人類獲得的首張黑洞照片。LIGO是靈敏度極高的激光干涉探測器，EHT公布的首張黑洞照片則是通過大量的數(shù)據(jù)處理計算獲得的圖像。因此，本版增加了光的干涉和衍射及MATLAB 圖像處理相關(guān)內(nèi)容。

21世紀(jì)是信息時代，信息學(xué)科和信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展促使傳統(tǒng)的光學(xué)儀器科學(xué)向光電信息學(xué)科擴(kuò)展。現(xiàn)代光電信息學(xué)科及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求新一代的科學(xué)研究人員與工程技術(shù)人員除了具有扎實的理論基礎(chǔ)，還應(yīng)具有應(yīng)用所學(xué)理論建模并仿真求解光電信息學(xué)科及現(xiàn)代光學(xué)中各種問題的能力，成為知識結(jié)構(gòu)新和創(chuàng)新能力強(qiáng)的高層次人才。光波導(dǎo)和激光是現(xiàn)代光電信息科學(xué)中舉足輕重的兩個研究方向。本書以這兩個方向的光學(xué)內(nèi)容為基礎(chǔ)，從基本的物理概念出發(fā)，建立相應(yīng)的理論模型，并將這些光學(xué)問題歸納為特征方程求根、積分求解、常微分方程求解等幾類數(shù)值求解問題，在對相應(yīng)的數(shù)值分析方法簡要介紹的基礎(chǔ)上結(jié)合MATLAB 強(qiáng)大的數(shù)值計算和圖形顯示功能，完成光學(xué)問題的仿真計算并給出圖形化的顯示結(jié)果。也就是通過光學(xué)仿真計算，利用MATLAB 編程來完成現(xiàn)代光學(xué)典型問題的模型求解，通過數(shù)據(jù)和圖形來展示現(xiàn)代光學(xué)問題的本質(zhì)，力求形成理工結(jié)合、經(jīng)典理論與現(xiàn)代數(shù)值方法緊密結(jié)合的新體系。

長期以來，由于光學(xué)課程中的概念繁多、物理規(guī)律較為抽象，理論教學(xué)對實驗的依賴性較強(qiáng)，特別是其中的一些光學(xué)現(xiàn)象和規(guī)律缺乏細(xì)致的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，再加上授課教師一直沿襲傳統(tǒng)的口授筆演的教學(xué)方式，給學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程帶來了諸多困難，因而光學(xué)課程的教學(xué)效果也總是不盡如人意。在這種情況下，作者認(rèn)為，光學(xué)課程需要形象生動的教學(xué)，需要現(xiàn)代化的教學(xué)手段，老師應(yīng)千方百計地為學(xué)生提供觀察光學(xué)物理現(xiàn)象的機(jī)會，提高學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)課程的興趣，培養(yǎng)學(xué)生的思維水平和創(chuàng)新能力。

國內(nèi)光學(xué)方面的著作內(nèi)容多集中在理論方面，鮮有介紹如何對理論模型進(jìn)行數(shù)值求解的案例。而在科學(xué)研究和工程應(yīng)用中不僅要求能夠根據(jù)實際情況選擇適當(dāng)?shù)睦碚摻�立模型，更為重要的是要能夠結(jié)合實際情況仿真求解理論模型，并在此基礎(chǔ)上對模型的某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終用于指導(dǎo)科學(xué)研究和工程應(yīng)用。本書將MATLAB 用于光學(xué)仿真中，具體介紹如何利用MATLAB 來仿真光波導(dǎo)和激光中的一系列理論模型，通過這些仿真過程和結(jié)果能夠進(jìn)一步加深對光波導(dǎo)和激光的理解和應(yīng)用。本書的大部分內(nèi)容已經(jīng)在北京航空航天大學(xué)等高校相關(guān)專業(yè)的研究生選修課程中講授過，受到了學(xué)生的普遍歡迎。由于MATLAB 語

言在很多理工專業(yè)的后續(xù)課程中發(fā)揮著很大的作用，建議有條件的學(xué)校也開設(shè)相應(yīng)的課程，使學(xué)生能認(rèn)識和掌握該語言，提高對光學(xué)問題仿真求解的水平，為更深入的科學(xué)研究打下扎實的基本功。

本書作者在高等光學(xué)仿真與計算的教學(xué)過程中，通過下列方式將MATLAB 與光學(xué)課程有機(jī)結(jié)合起來：

一是以MATLAB 為平臺，開發(fā)制作了光波導(dǎo)和激光等高等光學(xué)現(xiàn)象仿真程序，并運用于計算機(jī)所支持的課堂教學(xué)中，以其作為演示實驗配合光學(xué)理論的講授，很好地解決了真實實驗因環(huán)境限制而不能進(jìn)入課堂的難題。

二是利用MATLAB 的仿真與計算功能，鼓勵學(xué)生通過自主探索，去研究高等光學(xué)課程中的一些更深入的問題。在掌握理論知識的前提下，讓學(xué)生建立相應(yīng)的物理模型和數(shù)學(xué)模型，然后利用MATLAB 編寫程序，去完成對知識的鞏固與拓寬。這是一種探索過程，也可為學(xué)生以后的研究工作奠定基礎(chǔ)。因此，在本書每一章的最后一節(jié)都提供了一定數(shù)量的習(xí)題，供學(xué)生鞏固并加深理解該章的相關(guān)光學(xué)模型及其仿真計算。

三是利用MATLAB 的計算、繪圖與優(yōu)化功能，啟發(fā)學(xué)生對數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)進(jìn)行改變，根據(jù)實際物理條件選擇符合要求的最優(yōu)值，并獲得最優(yōu)條件下的參數(shù)值，最終通過理論仿真來指導(dǎo)實踐。完成實踐（參數(shù)獲�。�—理論（物理模型建立）—仿真（MATLAB 數(shù)值計算及繪圖）—優(yōu)化（MATLAB 參數(shù)改變及優(yōu)化）—實踐（最優(yōu)參數(shù)選�。┑倪^程，讓學(xué)生真切感受科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力。

基于以上指導(dǎo)思想，全書共分為7章。

第1章主要介紹光的電磁理論基礎(chǔ)。從麥克斯韋方程組出發(fā)，根據(jù)麥克斯韋電磁理論，利用電矢量和磁矢量來分析光波在兩介質(zhì)表面的反射特性，并結(jié)合MATLAB 仿真計算光波從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，以及光波從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時的反射率、透射率、相位等隨入射角度的變化關(guān)系，得到布魯斯特角、全反射、倏逝波等基本概念及特性。

第2章主要介紹光的干涉和衍射仿真。從光的干涉原理出發(fā)，分析了波前分割干涉、波幅分割干涉和多光束干涉，并仿真計算得到了楊氏雙縫干涉和牛頓環(huán)的仿真圖案、法布里–珀羅干涉儀的透射曲線。從光的衍射原理出發(fā)，仿真計算了單縫衍射、雙縫衍射的圖樣，基于圓孔衍射給出了艾里斑的仿真結(jié)果，并給出了白光的楊氏雙縫干涉和單縫衍射，最后介紹了衍射的傅里葉光學(xué)仿真。

第3章采用的是本征模方法，利用有限空間的波動光學(xué)理論分析光在介質(zhì)光波導(dǎo)（理想平板介質(zhì)光波導(dǎo)）中的傳播特性。由于受到介質(zhì)邊界條件的限制，根據(jù)不同的邊界條件，對麥克斯韋方程或相應(yīng)的波動方程求解后，可以得到其特征方程。在推導(dǎo)出理想平板介質(zhì)光波導(dǎo)最基本的TE模和TM模的特征方程后，利用MATLAB 的方程求根函數(shù)即可對特征方程進(jìn)行數(shù)值求解，從而得到其中TE模（或TM模）的傳輸特性。

第4章首先介紹光纖的基本概念；然后從光波在光纖（圓柱光波導(dǎo)）中傳輸?shù)膱A柱坐標(biāo)系下亥姆霍茲方程出發(fā)，得到階躍折射率光纖中光波傳輸?shù)腂essel方程，結(jié)合光波在光纖中傳輸?shù)倪吔鐥l件，推導(dǎo)出弱導(dǎo)近似下的特征方程，并利用MATLAB 中的Bessel函數(shù)以及數(shù)值求根函數(shù)，對弱導(dǎo)近似下的特征方程進(jìn)行數(shù)值求解，獲得光纖的歸一化工作頻率、歸一化橫向相位參數(shù)、歸一化橫向衰減參數(shù)等數(shù)據(jù)；再通過MATLAB 的三維作圖功能，將不同參數(shù)光纖中的電場分布特性展示出來。

第5章著重介紹高斯光束和光纖的耦合。由于高斯光束是光場亥姆霍茲方程在緩變振幅近似下的一個特解，該特解不僅可以用來描述基模激光在空間中的傳輸，而且可以用來近似描述從光纖端面出來的LP01模的輻射場，具有重要的物理意義。通過介紹高斯光束的基本性質(zhì)、復(fù)參數(shù)表示、ABCD定律，得到高斯光束通過復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)以及薄透鏡的變換，并得到其聚焦特性；在此基礎(chǔ)上給出了光纖端面輻射場，并結(jié)合MATLAB 仿真輻射場的函數(shù)特性；最后給出了光纖的光功率發(fā)射和耦合，并用MATLAB 的積分求解函數(shù)計算了LED與單模光纖的耦合效率以及光纖與光纖連接的耦合效率。

第6章從激光的基本原理出發(fā)，介紹輻射與物質(zhì)的相互作用，關(guān)于自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收的愛因斯坦關(guān)系式，吸收與光學(xué)增益，激光器的基本構(gòu)成，激光速率方程和激光調(diào)Q 技術(shù)等內(nèi)容。以一種典型的被動調(diào)Q 的微晶片激光器為例，給出了其被動調(diào)Q 的速率方程組，該速率方程組可以簡化為一個具有3個自變量的常微分方程組。利用MATLAB 的常微分方程初值問題求解函數(shù)即可對該被動調(diào)Q 速率方程組進(jìn)行仿真求解，得到被動調(diào)Q 的微晶片激光器的脈沖時域特性以及被動調(diào)Q 過程中光子數(shù)密度和反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度隨時間的變化關(guān)系。

第7章重點介紹一種新型的激光器——高功率雙包層光纖激光器。光纖激光器是以摻雜光纖作為增益介質(zhì)的一類激光器。光纖激光器和其他類型的激光器一樣，由能產(chǎn)生光子增益的工作介質(zhì)、使光子得到反饋并在工作介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵光子躍遷的抽運源3部分組成。只不過光纖激光器的工作介質(zhì)是同時起著波導(dǎo)作用的摻雜光纖。因此，光纖激光器是一種波導(dǎo)型的諧振裝置。在本章中分別給出了端面抽運和側(cè)面抽運兩種情況下的雙包層光纖激光器的理論模型，利用MATLAB 的常微分方程邊值問題求解函數(shù)，并結(jié)合雙包層光纖激光器的邊值條件對其速率方程組進(jìn)行仿真求解，得到抽運光、激光以及反轉(zhuǎn)

粒子數(shù)密度沿光纖長度的變化。

書中大量運用到求解各類模型的數(shù)值計算方法，主要有方程求根的數(shù)值解法、數(shù)值積分方法、常微分方程的初值問題數(shù)值求解、常微分方程的邊值問題數(shù)值求解�？紤]到學(xué)習(xí)本書的讀者數(shù)學(xué)方面的知識背景不盡相同，為了讓讀者在盡量少的時間內(nèi)理解數(shù)值求解的基本思路和方法，并運用MATLAB 相應(yīng)的模型進(jìn)行數(shù)值求解，在每章的習(xí)題前都有一節(jié)用于介紹數(shù)學(xué)和MATLAB 相關(guān)方面的補(bǔ)充知識，從而減輕讀者在學(xué)習(xí)過程中的負(fù)擔(dān)。

本書全部源程序均在MATLAB R2016b中測試運行通過。部分程序源代碼請到北京航空航天大學(xué)出版社（http://www.buaapress.com.cn）下載專區(qū)下載。

同時，北京航空航天大學(xué)出版社聯(lián)合MATLAB 中文論壇為本書設(shè)立了在線交流平臺，網(wǎng)址為http://www.ilovematlab.cn/forum-203-1.html。讀者也可以到該版塊下載程序代碼和勘誤，還可與同行交流學(xué)習(xí)、工作中遇到的問題。

歐攀擔(dān)任本書主編。何漢相、魯軍、尹飛飛等參與編寫及其中部分程序代碼的調(diào)試。

由于作者水平有限，書中存在的錯誤和疏漏之處，懇請廣大讀者和同行批評指正。本書勘誤網(wǎng)址：http://www.ilovematlab.cn/thread-281509-1-1.html。