基于matlab的光学衍射实验仿真

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1、基于Matlab的光学衍射实验仿真（）摘要通过Matlab软件编程，实现对矩孔夫琅和费衍射的计算机仿真，结果表明：该方法直观正确的展示了衍射这一光学现象，操作性强，仿真度高，取得了较好的仿真效果。关键词夫琅和费衍射；Matlab；仿真1引言物理光学是高校物理学专业的必修课，其中，光的衍射既是该门课程的重点内容，也是人们研究的热点。然而由于光学衍射部分公式繁多，规律抽象，学生对相应的光学图像和物理过程的理解有一定的困难，大大影响了教学效果。当然，在实际中可以通过加强实验教学来改善教学效果，但是光学实验对仪

2、器设备和人员掌握的技术水平要求都较高，同时实验中物理现象容易受外界因素的影响，这给光学教学带来了较大的困难1【-5】。随着计算机技术的迅速发展，现代化的教育模式走进了课堂，利用计算机对光学现象进行仿真也成为一种可能。Matlab是一款集数值分析、符号运算、图形处理、系统仿真等功能于一体的科学与工程计算软件，它具有编程效率高、简单易学、人机交互好、可视化功能、拓展性强等优点[6-8]，利用Matlab编程仿真光学现象只需改变程序中的参数，就可以生成不同实验条件下的光学图像，使实验效果更为形象逼真。在课堂教

3、学中，能快速的验证实验理论，使学生更直观的理解理论知识，接受科学事实。本文以矩孔夫琅和费衍射为例，介绍了Matlab在光学衍射实验仿真中的应用。2衍射基本原理衍射是光波在空间或物质中传播的基本方式。实际上，光波在传播的过程中，只要光波波面受到某种限制，光波会绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象，称为光的衍射。根据障碍物到光源和考察点的距离，把衍射现象分为两类：菲涅尔衍射和夫琅和费衍射。研究不同孔径在不同实验条件下的光学衍射特性，对现代光学有重要的意义。如图1所示，衍射

4、规律可用菲涅尔衍射积分表示，其合振幅为[9]：(1)其中，K是孔径平面，E是观察平面，r是衍射孔径平面Q到观察平面P的距离，d是衍射孔径平面O到观察平面P0的距离，cosθ是倾斜因子，k=2π／λ是光波波数，λ是光波波长，x1，y1和x，y分别是孔径平面和观察平面的坐标。由图（1）中可得(2)根据r的不同取值，产生两种不同的衍射，即菲涅尔衍射和夫琅和费衍射。当障碍物到光源和考察点的距离都是无限的情况，式（1）的合振幅分布可进一步表示为:(3)由此衍射积分得到的合振幅分布称为夫琅和费衍射。3仿真过程及结果

5、基于上述原理分析，假设矩孔夫琅和费衍射透镜焦距f=1000mm，光波长λ=500nm，矩形的孔径宽a=1mm，长b=2mm，根据公式(3)，通过Matlab编程，则得到相应的仿真结果。矩孔夫琅和费衍射仿真程序如下：focallength=1000;lambda=500;a=1.0;b=2.0;resolution=64;center=(resolution)/2;A=zeros(resolution,resolution);fori=1:1:resolutionforj=1:1:resolutionif

6、abs(i-center)

7、er;forj=1:1:resolutionq=j-center;C(j,i)=A(j,i)*exp(-imag*k*(x*p+y*q));endendE(n,m)=sum(C(:));endendE=abs(E);I=E.^2;I=I.^(1/3);I=I.*255/max(max(I));L=I;I=I+256;CM=[pink(255).^(2/3);gray(255)];Colormap(CM);edge=(resolution-1)/20;[X,Y]=meshgrid([-edge:0.1:e

8、dge]);x=linspace(-edge,edge,resolution);y=linspace(-edge,edge,resolution);subplot(1,2,1);surf(x,y,L);axis([-edge,edge,-edge,edge,0,255]);caxis([0,511]);subplot(1,2,2);image(x,y,I);axis([-edge,edge,-edge,edge,0,511]);view(2