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1、石河子大学石河子大学毕业设计毕业设计题题目：目： 牛牛顿环实验顿环实验的的 Matlab 仿真研究仿真研究 院院 （系）：（系）： 师师范学院物理系范学院物理系 专专 业业： ： 物物 理理 学学 学学 号：号： 2007010204 姓姓 名：名： 李李 智智 伟伟 指指导导教教师师： ： 范范 婷婷 完成日期：完成日期： 2011-5-31 摘摘 要要随着计算机和计算方法的高速发展，计算机模拟仿真也开始成为了一种科学研究手段。光学实验仿真在光学教学方面就有很广泛的应用，通过模拟仿真可以把抽象的光学理论形象生动地展示出来，更有利学习和理解。目前有关光学实验仿真的研究也比较多，用的较多的软件是
2、 Matlab、Mathematica、C+等软件。其中Matlab是一个边解释边执行的计算机语言，而且具有强大的矩阵运算、数据处理和图形显示功能的软件，其输出结果可视化，编程效率极高，用极少的代码即可实现复杂的运行，以便快速地验证自己的模型和算法。本文介绍了Matlab用于光学实验仿真的基本理论，通过对牛顿环实验的亲身操作，获取了具有实际应用价值的参数，并将相关参数用Matlab程序对牛顿环实验进行了光学仿真研究，以便用于教学，方便学生更直观的学习和掌握牛顿环实验的相关理论。关键词：关键词： Matlab， 光学实验， 仿真， 牛顿环ABSTRACTAlong with the comput
3、er and calculation method of rapid development, the computer simulation also begin to become a scientific research means. Optical experimental simulation in optical teaching has a wide range of applications, through the simulation can put the abstract optical theory image vividly displayed, the more
4、 favorable learn and understand. The related experimental simulation research also optical with more, the more software is the Matlab, Mathematica, c + + software. Among them is a side explain side Matlab language, and the execution of a computer with powerful matrix, data processing and graphic dis
5、play function of software, the output value visualization, programming, highly efficient with very little code of complex operation can be realized, so quickly verify his model and algorithm.Based on the hands-on operation of Newton rings experiments, from Matlab for optical experimental simulation
6、in the basic theory, obtain the practical value of the parameters, and the related parameters for Newton ring with Matlab simulation study the optical for teaching, for students to learn and master the more intuitive theories of Newton rings experiments.KEY WORDS：Matlab， Optical experiment，simulatio
7、n， Newton ring目目 录录第第 1 章章 绪论绪论.11.1 光学实验与仿真的研究现状与分析.11.2 仿真研究的目的和意义.2第第 2 章章 Matlab 简介简介 .42.1 MATLAB 产生的背景42.2 Matlab 语言的优势和特点.42.2.1 MATLAB 的组成52.2.2 MATLAB 软件的特点5第第 3 章章 Matlab 用于光学实验仿真的基本理论用于光学实验仿真的基本理论 .7 第第 4 章章 利用牛顿环干涉测量透镜的曲率半径实验利用牛顿环干涉测量透镜的曲率半径实验.94.1 实验原理.94.2 实验内容.94.3 实验结果.10第第 5 章章 Matl
8、ab 仿真牛顿环实验仿真牛顿环实验 .115.1 牛顿环仿真的简介.115.2 Matlab 用于仿真牛顿环实验的程序.115.3 程序运行结果.125.4 不同曲率半径牛顿环仿真图像及分析.135.5 不同入射光波长下牛顿环仿真图像及分析.145.6 图像范围改变时的牛顿环仿真图像.14总结总结.15 参考文献参考文献.16 致致 谢谢.17第第 1 1 章章 绪论绪论1.1 光学实验与仿真的研究现状与分析光学实验与仿真的研究现状与分析现代光学的最新进展之一是光学信息处理和数字光计算的飞速发展。光学信息处理是以傅里叶分析方法为核心研究光学成像和光学变换的理论和技术。它以光子传递信息，利用光学
9、或光电子器件进行操作运算，用光的折射、干涉和衍射等特性来实现对输入信息的各种变换和处理1。光信息处理最大的优势是其高速度、并行性及互连性。首先，光子在真空中的高数传播使得光信息在处理过程中的高速度显而易见；其次，光学图像信息及其变换过程本来就是二维并行的；此外，光子属于玻色子，不带电荷，不易发生交互作用，因此光束可以在真空中交叉传播而互不影响，这是实现无干扰互连的极好条件。随着现代科学技术的发展和社会需要的扩大，电子计算机越来越不适应并行、大容量的数据和图像的快速计算传输和实时处理的要求。光信息处理由此引起人们的广泛关注。在计算机飞速发展的今天，光学实验仿真受到越来越多的科研工作者和教育工作者
10、的广泛关注。其应用主要有两个方面：第一是在科学计算方面，利用仿真实验的结果指导实际试验，减少和避免贵重仪器的损伤；第二是在光学教学方面，将抽象难懂的光学概念和规律，由仿真实验直观的描述，让学生饶有兴趣的掌握知识。在光学教学方面，国外已经有相关的配有光盘演示光学实验的教材，该教材主要针对高年级学生和研究生使用。其中不仅详细的介绍了几何光学、物理光学、光学成像技术及图像处理技术，而且利用现在普遍使用的软件工具 MATLAB 对它进行了系统的仿真，也有针对理科和工科低年级学生使用的光学教材，该教材使用 matchcad 绘制各种逼真的光学仪器，创造出仿真的光学实验室，学生可以利用其进行探索和发现性学
11、习，充分调动学生的积极性。 还有网络版光学教程，该教材采用 mathematica 进行光学仿真计算，结合livegraphic3d java1.1 的动画制作功能在网络上实时演示各种光学实验的结果图。我国光学教程在利用计算机仿真方面相对落后。在 2003 年北京举行的网络教育软件展示上，有关光学实验的网络教学软件都偏重于理论分析方面，对计算机应用于光学实验的仿真方面未给予充分重视2。光学实验一般需要稳定的环境，高精密的仪器，因此在教室里能做的光学实验极为有限，而且也受到授课时间的限制。为了克服光学实验对实验条件要求比较苛刻的缺点，可采用计算机仿真光学实验，特别是光学演示实验，配合理论课的进行
12、，把光学课程涉及的大多数现象展示在学生面前，以加深对光学内容的理解。如利用计算机仿真联合变换相关实验，可以得到清晰的相关峰，而在实验中液晶光阀的分辨率较低，很难得到清晰的相关峰；又如光学菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射，初学者不易理解，如果通过光学仿真实验，可以计算出它们之间的演化规律，清楚地说明二者之间的联系与区别。学生们可以根据对光学原理和规律的理解，自己设置在仿真光学实验中的可控参数，探索和发现光学世界的奥秘，调动学习的积极性。在科学计算方面，国外的光学实验仿真是在模拟设计和优化光学系统的过程中发展起来的。在这方面，美国走在最前面，其中最具代表性的是劳伦斯利弗莫尔实验室。1.2 仿真研究的目的和
13、意义仿真研究的目的和意义在工程设计领域中，人们通过对研究对象建立模型，用计算机程序实现系统的运行过程和得到运算结果，寻找最优方案，然后再予以物理实现，此即为计算机仿真科学。在计算机日益普及的今天，计算机仿真技术作为虚拟实验手段已经成为计算机应用的一个重要分支。它是继理论分析和物理实验之后，认识客观世界规律性的一种新型手段2。计算机仿真过程以仿真程序的运行来实现的。仿真程序运行时，首先对描述系统特性的模型设置一定的参数值，并让模型中的某些变量在指定的范围内变化，通过计算可以求得这种变量在不断变化的过程中，系统运动的具体情况及结果。仿真程序在运行过程中具有以下多种功能：（1）计算机可以显示出系统运
14、行时的整个过程和在这个过程中产生的各种现象和状态。具有观测方便，过程可控制等优点；（2）可减少系统外界条件对实验本身的限制，方便地设置不同的系统参数，便于研究和发现系统运行的特性；（3）借助计算机的高速运行能力，可以反复改变输入的实验条件、系统参数，大大提高实验效率。因此，计算机仿真具有良好的可控制性、无破坏性、可复现性、易观察性和经济性等特点4。在光学仪器设计和优化过程中，计算机的数值仿真已经成为不可缺少的手段。通过仿真计算，可以大幅的节省实验所耗费的人力、物力，特别是在一些重复试验工作强度较大且对实验器材、实验环境等要求苛刻的情况下，如在大型激光仪器的建造过程中，结合基准实验的仿真计算结果
15、可为大型激光器的设计和优化提供依据5。仿真光学实验也可以应用于基础光学教学。光学内容比较抽象，如不借助实验，学生很难理解，如光的干涉、菲涅尔衍射、夫琅禾费衍射等。而且也受到授课时间的限制。为了克服光学实验对实验条件要求比较苛刻的缺点，可采用计算机仿真光学实验，特别是光学演示实验，配合理论课的进行，把光学课程涉及的大多数现象展示在学生面前，以加深对光学内容的理解。如利用计算机仿真联合变换相关实验，可以得到清晰地相关峰，而在实验中液晶光阈的分辨率较低，很难得到清晰地相关峰；又如光学菲涅尔衍射与夫琅禾费衍射，初学者不易理解，如通过光学仿真实验，可以计算出他们之间的演化规律，清楚地说明二者之间的联系与
16、区别。学生可以根据对光学原理和规律的理解，自己设置在仿真光学实验中的可控参数，探索和发现光学世界的奥秘，调动学习的积极性5-6。计算机仿真具有良好的可控制性（参数可根据需要调整）、无破坏性（不会因为设计上的不合理导致器件的损坏或事故的发生）、可复现性（排除多种随机因素的影响，如温度、湿度等）、易观察性（能够观察某些在实际实验当中无法或者难以观察的现象和难以实现的测量，捕捉稍纵即逝的物理现象，可以记录物理过程的每一个细节）和经济性（不需要贵重的仪器设备）等特点。在光学仪器设计和优化过程中，计算机的数值仿真已经成为不可缺少的手段7。通过仿真计算，可以大幅度节省实验所耗费的人力物力，特别是在一些重复实验工作强度较大且对实验器材、实验环境等要求较苛刻的情况下如在大型激光仪器的建造过程中，结合基准实验的仿真计算结果可
