《毕业论文（设计）-基于Matlab的光学衍射实验仿真》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业论文（设计）-基于Matlab的光学衍射实验仿真（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、基于Matlab的光学衍射实验仿真摘要光学试验中衍射实验是非常重要的实验.光的衍射是指光在传播过程中遇 到障碍物时能够绕过障碍物的边缘前进的现象，光的衍射现象为光的波动说提 供了有力的证据.衍射系统一般有光源、衍射屏和接受屏组成，按照它们相互距 离的大小可将衍射分为两大类，一类是衍射屏与光源和接受屏的距离都是无穷 远时的衍射，称为夫琅禾费衍射，一类是衍射屏与光源或接受屏的距离为有限 远时的衍射称为菲涅尔衍射。本文用Matlab软件对典型的衍射现象建立了数学模型，对衍射光强分布进 行了编程运算，对衍射实验进行了仿真。最后创建了交互式GUI界面，用户可以 通过改变输入参数模拟不同条件下的衍射条纹。
2、本文对于衍射概念、区别、原理及光强分布编程做了详细全面的介绍关键字：Mat lab ；衍射；仿真;GUI界面;光学实验Matlab-based Simulation of Optical Diffraction ExperimentAbstractOptical diffraction experiment is a very important experiment, is the diffraction of light propagation of light in the obstacles encountered in the process to bypass the obstac
3、les when the forward edge of the phenomenon of light diffraction phenomenon of the wave theory of light provides a strong Evidence, diffraction systems generally have light, diffraction screen and accept the screen composition, size according to their distance from each other diffraction can be divi
4、ded into two categories, one is the diffraction screen and the light source and the receiving screen is infinity when the distance between the diffraction Known as Fraunhofer diffraction, one is diffraction screen and the light source or accept a limited away from the screen when the diffraction is
5、called Fresnel diffraction.In this paper, Matlab software on a typical phenomenon of a mathematical model of diffraction, the diffraction intensity distribution of the programming operation, the diffraction experiment is simulated. Finally, create an interactive GUI interface, users can change the i
6、nput parameters to simulate different conditions of the diffraction pattern.This concept of the diffraction, difference, intensity distribution of programming principles and a detailed comprehensive descriptionKey word: matlab； diffraction; simulation; gui interface; optical experiment1 绪论11.1光学仿真的研
7、究意义11.2国内外研究现状21.3 Matlab仿真的优越性21.4仿真的主要内容22 衍射32.1光的衍射现象32.1.1衍射定义32.1.2光的衍射现象32.2惠更斯一费涅耳原理62.2.1原理表述62.2.2原理的定量表达式62.3夫琅禾费原理72.3.1夫琅禾费衍射的装置82.3.2夫琅禾费矩孔衍射92.3.3夫琅禾费单缝衍射102.3.4夫琅禾费多缝衍射112.3.5多缝衍射图样122.4菲涅尔衍射原理132.4.1菲涅尔半波带法132.4.2菲涅尔单缝衍射142.4.3矩孔菲涅尔衍射153 夫琅禾费衍射仿真163.1夫琅禾费单缝衍射仿真173.2夫琅禾费多缝衍射仿真193.3夫琅
8、禾费矩孔衍射仿真204菲涅尔衍射仿真274.1菲涅尔方孔衍射仿真234.2菲涅耳单缝衍射仿真265 交互式GUI界面296 总结30参考文献31致谢33毕业设计（论文）知识产权声明34毕业设计（论文）独创性声明35附录1 （GUI编程）361绪论1.1光学仿真的研究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，寻找出最优方案，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己 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。计算机仿真过程是以仿
9、真程序的运行来实现的。仿 真程序运行时，首先要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动时的整个过程和在这个过程中所产生的各种 现象和状态。具有观测方便，过程可控制等优点；（3）借助计算机的高速运算能力，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（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
10、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为大型激光器的设计和优化提供依 据。仿真光学实验也可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、菲涅耳衍射、夫琅禾费衍射等。国外著名的光学教 材配有大量的图片（包括计算和实验获得的图片），来形象地说明光学中抽象难懂 的理论。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
11、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。1.2国内外研究现状在科学计算方面，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
12、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 莫尔实验室光传输模拟计算软件Prop92及大型总体优化设计软件CHAINOP和 PROPSUI法上有独到之处，主要体现在其快速傅里叶变换的计算效率很高:软件 采用特殊方法能够处理小于计算分辨率的灰尘点的衍射过程以及截止频率小于 计算网格分辨最小频率的滤波过程等。另外，该软件图形显示界面友好，运行稳 定。我国用于科学研究的光学实验计算机数值仿真软件虽开发较晚，但也己经取 得了显著成绩。特别是年，神光一川原型装置TIL分系统集成实验的启动为高功 率固体激光驱动器的计算机数值模拟的研究创造了条件。目前己基本完成的 SG99光传输可靠
13、，模拟计算软件的开发，推出的标准版本基本能稳定运行，对 SG99主要计算模块的验证结果表明SG99对能流放大、线性传输、非线性传输 的计算是合理可靠的，其中线性传输的计算模块的计算精度与国外同类软件 Fresnel相当;目前该软件已经应用于神光一III主机可行性论证的工作中。在光学教学方面，国外己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。其中不仅详尽的介绍了几何光学、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 们进行了系统的仿真。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
14、学仪器，创造出仿真的光学实验室，学生可利 用其进行探索和发现性学习，充分调动学生的积极性。还有网络版光学教材，该教材采用进行光学仿真计算，结合LiveGraPhic3DJaval. 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。我国光学教材在利用计算机仿真方面相 对落后，至今没有同类教材出现。在2003年北京举行的网络教育软件展上，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 仿真方面未给与充分重视。结合国家十五教材建设计划，在光学实验仿真方面进 行大量的研究，各项研究工作将在后续各章中一一介绍。1.3 Matlab仿真的优越性Matlab是Mathwo
15、rks公司于1982年推出的一套高性能的数值计算和可视 化软件。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体，构成了一个方 便、界面友好的用户环境。它还包括了 ToolBox江具箱)的各类问题的求解工具, 可用来求解特定学科的问题。其特点是：(1) 可扩展性:Matlab最重要的特点是易于扩展，它允许用户自行建立指定功 能的M文件。对于一个从事特定领域的工程师来说，不仅可利用Matlab所提供 的函数及基本工具箱函数，还可方便地构造出专用的函数，从而大大扩展了其应 用范围。当前支持Matlab的商用Toofbox(工具箱)有数百种之多。而由个人开发 的Toolbox则不可计数。(2) 易学
16、易用性:Matlab不需要用户有高深的数学知识和程序设计能力，不需 要用户深刻了解算法及编程技巧。(3) 高效性:Matlab语句功能十分强大，一条语句可完成十分复杂的任务。如 ffi语句可完成对指定数据的快速傅里叶变换，这相当于上百条C语言语句的功 能。它大大加快了工程技术人员从事软件开发的效率。据Mathworks公司声称， Matlab软件中所包含的Matlab源代码相当于70万行C代码。由于Matlab具有如此之多的特点，在欧美高等院校，Matlab已成为应用于 线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统 仿真等高级课程的基本教学工具;在研究单位、工业部门，Matlab也被广泛用于 研究和解决各种工程问题。当前在全世界有超过40
