基于Matlab的光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)仿真開(kāi)題報(bào)告

1、西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告題目： 基于matlab的光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真系 別 光電信息系 專(zhuān) 業(yè) 光電信息工程 班 級(jí) 070104 姓 名 王x生 學(xué) 號(hào) b0701041x 導(dǎo) 師 劉xx 2010年 11 月 21 日14課題背景及研究意義衍射是光波的一種重要特征,對(duì)光波衍射現(xiàn)象的討論是以惠更斯- 菲涅爾原理為基礎(chǔ)的。事實(shí)證明，在大多數(shù)光學(xué)問(wèn)題中，可以采用光場(chǎng)的標(biāo)量衍射理論來(lái)描述和計(jì)算。光場(chǎng)的頻率非常高，只能測(cè)量在一個(gè)比光的周期大得多的時(shí)間間隔內(nèi)的平均值，在計(jì)算衍射光波場(chǎng)的光振動(dòng)和光強(qiáng)分布時(shí)則利用菲涅爾- 基爾霍夫衍射積分公式1,2,3 。在物理光學(xué)的光的衍射教學(xué)過(guò)程中，光學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2、比較抽象, 如不借助實(shí)驗(yàn), 學(xué)生很難理解理論、實(shí)驗(yàn)原理和過(guò)程。通常，學(xué)校的教學(xué)中，將光學(xué)理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相分離，理論教學(xué)中需要實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)驗(yàn)證，而光學(xué)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行一般要穩(wěn)定的環(huán)境、高精密的儀器, 復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)儀器以及光路的調(diào)試, 花費(fèi)了技術(shù)人員相當(dāng)多的時(shí)間，往往很難調(diào)試到理想的狀態(tài)，搭建好的儀器和光路也會(huì)受到環(huán)境和溫度的影響,有時(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果將偏離理論預(yù)測(cè)。為了在物理光學(xué)課程教學(xué)過(guò)程形象生動(dòng)，需要現(xiàn)代化的教學(xué)手段，千方百計(jì)地為學(xué)生提供觀(guān)察物理現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)光學(xué)課程的興趣，培養(yǎng)他們的思維水平和創(chuàng)新能力，應(yīng)該充分利用計(jì)算機(jī)軟件功能為教學(xué)增添活力，為學(xué)生理解復(fù)雜理論和實(shí)驗(yàn)做好鋪墊，可以用matla

3、b軟件為平臺(tái),對(duì)光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，具有兩個(gè)方面意義：一方面，利用仿真結(jié)果指導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)。前期投資少，且可以減少貴重儀器的損傷等；另一方面，在教學(xué)上，將抽象難懂的概念、規(guī)律通過(guò)實(shí)驗(yàn)仿真生動(dòng)、形象地表現(xiàn)出來(lái)，使學(xué)生更易于接受，具有明顯的教學(xué)效果。還可以鼓勵(lì)學(xué)生自主探索，研究一些更深入的光學(xué)問(wèn)題，這樣可以拓寬知識(shí)面，提高能力4,5,6 。國(guó)內(nèi)外研究情況 在用計(jì)算機(jī)模擬7 光學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件方面，國(guó)外的光學(xué)衍射模擬試驗(yàn)是在模擬設(shè)計(jì)和優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的過(guò)程中發(fā)展起來(lái)的。在這方面，美國(guó)走在最前面，他們最具代表性的是勞倫斯利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室光傳輸模擬計(jì)算軟件prop928,9 及大型總體優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件chainop和p

4、ropsuite10 。其中軟件prop92就是采用fortran語(yǔ)言編寫(xiě)，最大采樣點(diǎn)數(shù)為512*512。這些軟件在大型激光器nova的設(shè)計(jì)制造中發(fā)揮了重要作用。另外法國(guó)也開(kāi)發(fā)完成其有自身特點(diǎn)的光傳輸軟件miro11 ,該軟件采用c+編寫(xiě)，可以運(yùn)行于多個(gè)平臺(tái)。俄羅斯普通物理實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)90年代初推出光傳輸軟件fresnel2.012 。該軟件是一套成熟的商業(yè)化光傳輸軟件，在處理光傳輸?shù)臄?shù)值模擬算法上有獨(dú)到之處，主要體現(xiàn)在其快速傅里葉變換的計(jì)算效率很高；軟件采用特殊方法能夠處理小于計(jì)算分辨率的灰塵點(diǎn)的衍射過(guò)程以及截止頻率小于計(jì)算網(wǎng)格分辨最小頻率的濾波過(guò)程等。另外，該軟件圖形界面友好，穩(wěn)定可靠。

5、我國(guó)用于科學(xué)研究的光傳輸軟件開(kāi)發(fā)雖然較晚，但也取得了很大的成績(jī)。特別是1999年，神光iii原型裝置til分系統(tǒng)集成試驗(yàn)的啟動(dòng)為高功率固體激光驅(qū)動(dòng)器的計(jì)算機(jī)模擬的研究創(chuàng)造了條件。目前已基本完成sg99光傳輸模擬計(jì)算軟件13 的開(kāi)發(fā)，推出的標(biāo)準(zhǔn)版本基本能穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)sg99主要計(jì)算模塊的驗(yàn)證結(jié)果表明sg99對(duì)能流放大、線(xiàn)性傳輸、非線(xiàn)性傳輸?shù)挠?jì)算是合理可靠的，其中線(xiàn)性傳輸?shù)挠?jì)算模塊的計(jì)算精度與國(guó)外同類(lèi)軟件fresnel相當(dāng)；目前該軟件已經(jīng)用于神光-iii主機(jī)可行性論證的工作中。現(xiàn)在我們比較多的利用美國(guó)mathworks公司推出的matlab14,15,16 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)上面的工作。matlab是國(guó)際

6、公認(rèn)的優(yōu)秀數(shù)學(xué)應(yīng)用軟件，它是用于數(shù)值計(jì)算和圖形處理的應(yīng)用軟件，它包括了數(shù)值計(jì)算、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理、圖形顯示、可視化建模仿真和實(shí)時(shí)控制等功能,并且有大量的函數(shù)庫(kù)可供使用17 。matlab的基本單位是矩陣，它的指令表達(dá)式與數(shù)學(xué)、工程中常用的形式十分相似。故用matlab來(lái)解決問(wèn)題比用c、fortran等語(yǔ)言簡(jiǎn)潔的多。本課題研究的主要內(nèi)容和擬采用的研究方案、研究方法或措施光學(xué)試驗(yàn)中衍射實(shí)驗(yàn)是非常重要的實(shí)驗(yàn). 光的衍射是指光在傳播過(guò)程中遇到障礙物時(shí)能夠繞過(guò)障礙物的邊緣前進(jìn)的現(xiàn)象, 光的衍射現(xiàn)象為光的波動(dòng)說(shuō)提供了有力的證據(jù). 衍射系統(tǒng)一般有光源、衍射屏和接受屏組成, 按照它們相互距離的大小可將衍射分

7、為兩大類(lèi), 一類(lèi)是衍射屏與光源和接受屏的距離都是無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的衍射, 稱(chēng)為夫瑯禾費(fèi)衍射, 一類(lèi)是衍射屏與光源或接受屏的距離為有限遠(yuǎn)時(shí)的衍射稱(chēng)為菲涅爾衍射 , 按照衍射屏狹縫的形狀可分為單縫、圓孔和多縫等衍射. matlab是由美國(guó)mathworks公司推出的數(shù)值分析中很強(qiáng)的應(yīng)用軟件，具有強(qiáng)大的數(shù)值計(jì)算，數(shù)據(jù)可視化與編程，仿真和圖像處理等功能。與basic，c，和fortran相比，用matlab軟件做光學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬，只需要用數(shù)字方式表達(dá)和描述，省去了大量繁瑣的編程過(guò)程，origin軟件一般用于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理和作圖，可以仿真一些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，仿真效果一般。所以綜合考慮本課題選用matlab軟件進(jìn)行

8、實(shí)驗(yàn)仿真。夫瑯禾費(fèi)衍射單縫夫瑯和費(fèi)衍射的原理如圖所示，它是平行光衍射 。實(shí)驗(yàn)要借助兩個(gè)透境來(lái)實(shí)現(xiàn)。一束平行光照射到很窄的單縫 上，穿過(guò)單縫后經(jīng)過(guò)透鏡，j在屏幕e上形成衍射條紋。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，平行光(波陣面垂直于透鏡光軸)經(jīng)過(guò)透鏡會(huì)聚在焦面中央的光線(xiàn)因相互加強(qiáng)而形成明紋。這說(shuō)明位相相同的平行光經(jīng)過(guò)透鏡聚焦時(shí)，它們的位相仍然相同，透鏡并未引起附加的位相差。在傍軸條件下，利用菲涅耳一基爾霍夫積分公式求得狹縫上子波源在衍射屏上p點(diǎn)的疊加復(fù)振幅為 光強(qiáng)為： 其中，a為縫寬度，i為屏中心0點(diǎn)光強(qiáng)。圓孔夫瑯禾費(fèi)衍射與其類(lèi)似，且在正入射時(shí)，圓孔的夫瑯禾費(fèi)衍射復(fù)振幅為 光強(qiáng)為 其中，其中a為圓孔半徑，是一階貝賽爾函

9、數(shù)。由上式可知，衍射場(chǎng)上p點(diǎn)的光強(qiáng)分布不僅與位置有關(guān)，還與波長(zhǎng)有關(guān)。 夫瑯禾費(fèi)矩孔實(shí)驗(yàn) matlab仿真代碼lmda=632.8e-9;% 波長(zhǎng)xmax=0.05;% 觀(guān)察屏所取范圍ymax=xmax;def=0.0001;x=-xmax:def:xmax;y=-ymax:def:ymax;lenm=length(x);lenn=length(y);for m=1:lenmfor n=1:lennalpha=pi*x(m)*a/(lmda*f);%0.5*k*l*a;beta=pi*y(n)*a/(lmda*f);%bb=0.5*k*w*b;i(m,n)=(sin(alpha)/(alpha)

10、2*(sin(beta)/(beta)2;endendi=i/(max(max(i);x,y=meshgrid(x,y);figuremesh(x,y,i);xlabel(x);ylabel(y);zlabel( 光強(qiáng));rotate3dhold onfigureimshow(255*i);xlabel(x);ylabel(y); 夫瑯禾費(fèi)矩孔仿真圖 光強(qiáng)三維圖 惠更斯菲涅爾衍射根據(jù)惠更斯菲涅爾原理的次波假設(shè)和次波相干疊加原理，當(dāng)次級(jí)波源處于同一波真面上時(shí)，由它們發(fā)出的子波必然是彼此相干的，在波傳播的后面空間中任何一點(diǎn)處的光振動(dòng)則是這些次級(jí)波源產(chǎn)生的子波疊加的結(jié)果。菲涅爾原理數(shù)學(xué)表達(dá)式為： 式

11、中k(h)為傾斜因子 單縫衍射matlab仿真代碼如下 clearlam=500e-9;a= 1e-3; f=1;xm= 3*lam*f/a;nx= 51;xs=linspace(-xm,xm,nx);np=51;xp=linspace(0,a,np);for i=1:nxsinphi= xs(i)/f;alpha=2*pi*xp*sinphi/lam;sumcos=sum(cos(alpha);sumsin=sum(sin(alpha);b(i,:)=(sumcos2+sumsin2)/np2;endn=255;br=(b/max(b)*n;subplot(1,2,1)image(xm,xs

12、,br);colormap(gray(n);subplot(1,2,2)plot(b,xs); 單縫衍射光強(qiáng)分布圖多縫衍射matlab仿真代碼clearlam=500e-9;n=2;a= 2e-4;z=5;d=5*a;xm=2*lam*z/a;y0=xm;n=1001;x0=linspace(-xm,xm,n);for i= 1: nsinphi=x0(i)/z;alpha=pi*a*sinphi/lam;beta=pi*d*sinphi/lam;b(i,:)=(sin(alpha)./alpha).2.*(sin(n*beta)./sin(beta).2;b1=b/max(b);endnc=

13、255;br=(b/max(b)*nc;subplot(1,2,1)image(y0,x0,br);colormap( gray(nc) );subplot(1,2,2)plot(b1,x0); 多縫衍射光強(qiáng)分布圖本課題研究的重點(diǎn)及難點(diǎn)，前期已開(kāi)展工作本課題研究的重點(diǎn)是使用matlab軟件結(jié)合所學(xué)的物理光學(xué)中光的衍射原理，對(duì)典型的衍射實(shí)驗(yàn)的衍射光強(qiáng)分布進(jìn)行編程運(yùn)算，并輸出計(jì)算得到的衍射圖樣分布，對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行仿真。改變?cè)O(shè)置的計(jì)算參數(shù)觀(guān)察仿真圖樣的變化規(guī)律，給出物理光學(xué)理論解釋。難點(diǎn)是建立衍射現(xiàn)象的數(shù)學(xué)模型和創(chuàng)建交互式界面用戶(hù)可以通過(guò)改變輸入?yún)?shù)模擬不同條件下的衍射條紋及計(jì)算機(jī)仿真。目前已進(jìn)行課

14、題調(diào)研，對(duì)課題研究的內(nèi)容，原理，可行方案，準(zhǔn)備資料進(jìn)行整理，準(zhǔn)備11月底的開(kāi)題答辯完成本課題的工作方案及進(jìn)度計(jì)劃（按周次填寫(xiě)）計(jì)劃工作方案首先12月前完成資料準(zhǔn)備，和開(kāi)題報(bào)告.2月前完成原理設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)、并確定最終的設(shè)計(jì)方案。3月份開(kāi)始為仿真做準(zhǔn)備，進(jìn)行資料調(diào)研，開(kāi)始編寫(xiě)程序，調(diào)試程序4月份運(yùn)行已經(jīng)編好的程序，然后觀(guān)察matlab仿真的效果圖，進(jìn)行資料收集，整理，為畢業(yè)設(shè)計(jì)論文做準(zhǔn)備。5 月份完成衍射的各個(gè)仿真，開(kāi)始畢業(yè)設(shè)計(jì)論文寫(xiě)作6月份完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，然后做好畢業(yè)答辯的準(zhǔn)備工作。第1周進(jìn)行課題調(diào)研第2周調(diào)研課題的內(nèi)容，原理，可行方案，準(zhǔn)備資料進(jìn)行整理第3周進(jìn)行畢業(yè)開(kāi)題報(bào)告寫(xiě)作工作第4周將

15、寫(xiě)好的畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告交給指導(dǎo)老師審閱，以及做好初期答辯的準(zhǔn)備工作，迎接初期答辯第5周進(jìn)行擬用方案研究，以及對(duì)方案的可行性進(jìn)行分析第6周將自己的方案讓指導(dǎo)老師審閱第7周確定好方案，以及研究方法第8周開(kāi)始對(duì)課題的原理進(jìn)行深度理解第9周開(kāi)始畢業(yè)設(shè)計(jì)的初期準(zhǔn)備工作第10周進(jìn)行matlab等書(shū)籍，資料的準(zhǔn)備工作第11周為仿真做好準(zhǔn)備工作第12周進(jìn)行仿真資料調(diào)研第13周開(kāi)始編寫(xiě)程序第14周開(kāi)始調(diào)試程序第15運(yùn)行已經(jīng)調(diào)試好的程序第16周觀(guān)察matlab仿真的衍射圖第17周進(jìn)行資料收集，整理第18周為畢業(yè)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備第19周完成衍射的各個(gè)仿真、第20周準(zhǔn)備創(chuàng)建交互式界面第21周完成創(chuàng)建交互式界面工作第22周

16、開(kāi)始畢業(yè)論文寫(xiě)作第23周繼續(xù)寫(xiě)畢業(yè)論文第24周完成畢業(yè)論文寫(xiě)作第25周開(kāi)始為畢業(yè)答辯做好準(zhǔn)備第26周進(jìn)行最后的論文答辯參考文獻(xiàn)1 姚啟均. 光學(xué)教程m. 北京: 高等教育出版社, 2002.2 徐金明. matlab實(shí)用教程m . 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005.3 李海濤, 鄧櫻. matlab6. 1基礎(chǔ)及應(yīng)用技巧m. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社2002.4 謝嘉寧, 陳偉成, 等. mat lab 在光學(xué)信息處理仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 j. 物理實(shí)驗(yàn), 2004, 24 ( 6). 5 周憶, 梁齊. 用matlab語(yǔ)言模擬光衍射實(shí)驗(yàn) j. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn), 2001, 14 ( 4).6梁紹榮

17、普通物理學(xué)光學(xué)m高等教育出版社，1988：l602027曲偉娟，基于matlab的光學(xué)試驗(yàn)仿真，西北工業(yè)大學(xué)碩士論文，20048r.a.sacks,m.a.henesian,s.w.haney,j.b.trenholme,the prop92 fourierbeam propagation code,lawrence livermore national laboratory,livermore,ucrl-lr-105821-96-4,1996;http:/www.u/nif/icf/icfpubs/qrtly_reports/jul-sep96/sacks.pdf.9w.will

18、iams j.trenholme,c.orth s.haney,r.sacks,etal,nif designoptimiazation,icf quarterly report 6(4),lawrence livermore nationallaboratory,livermore,ca,ucrl-lr-105821-96-4,1996;http:/www.u/nif/icf/icfpubs/qrtly_reports/jul-sep96/williams.pdf.10c.d.orth,s.w.haney,w.h.williams,laser optimization techniques,uc