基于MATLAB的物理光学实验仿真平台构建

毕业设计(论文)开题报告题目：基于Matlab的物理光学实验仿真平台构建

院（系）光电工程学院

专业光信息科学与技术

班级120110

姓名闫武娟

学号120110127

导师刘王云

年月日

开题报告填写要求

1．开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。

此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成。2．开题报告内容必须按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）填写并打印（禁止打印在其它纸上后剪贴），完成后应及时交给指导教师审阅。3．开题报告字数应在1500字以上，参考文献应不少于15篇（不包括辞典、手册，其中外文文献至少3篇），文中引用参考文献处应标出文献序号，“参考文献”应按附件中《参考文献“注释格式”》的要求书写。

4．年、月、日的日期一律用阿拉伯数字书写，例：“2005年11月26日”。

输入与图像的绘制，不同的参数便可模拟出不同的物理光学实验的条纹以及光强分布图，改变参数可模拟出另一组图像，与前一组可进行观察对比，可模拟平面图像，也可模拟出三维光强图像[15]。这些仿真平台的使用不仅方便了教学，而且也使学生更容易理解物理光实验的基本原理，加深对理论知识的理解与记忆。

2.课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法

2.1课题研究的主要内容

(1). 在光的干涉基本理论基础上，实现两束平面波、球面波的干涉实验，杨氏双缝和杨氏双孔干涉实验，平行平板的等倾干涉实验，楔形平板的等厚干涉实验，牛顿环干涉实验，迈克尔逊干涉实验以及平行平板的多光束干涉实验。

(2). 在菲涅尔衍射及夫琅和费衍射基本理论基础上，实现矩孔、单缝、圆孔、双缝、多缝、平面光栅及闪耀光栅的衍射实验。

2.2 研究方法及方案

物理光学实验可分为两大类：干涉与衍射。光的干涉有光源、干涉装置和干涉图形三个基本要素；衍射分为菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射。光学领域的大部分图像及曲线分布都可以用MATLAB软件加以计算和实现[16]，

以杨氏双缝干涉为例，简述实验方案

杨氏双缝干涉模型是典型的分波面干涉，其干涉装置图如图所示，用一个单缝与一个双缝，从同一波面上分出两个同相位的单色光，进而获得相干光源并观察分析干涉图样。

图1.1 杨氏双缝干涉实验装置图

2.2.1数学建模

根据干涉的基本原理，点光源S发出的光波经双缝分解为次波源S1、S2，这两个次波源发出的光波在空间相干叠加，继而在其后的接收屏形成一系列明暗相间的干涉条纹。

设入射光波波长为λ，两个次波源的强度相同，且间距为d

（1）位相差的计算:

221)2

(y d

x r ++

= 222)2

-

(y d

x r += （2.1）

)(*12r r n -=∆ （2.2）

∆=

∆λ

π

ϕ2 （2.3）

（2）光强的计算：

)2

(

cos 42

0ϕ

∆=I I （2.4） 干涉条纹明纹的位置：d

mD y λ

=

， (m=0,±1,±2,...) （2.5） 干涉条纹暗纹的位置：d

D m y λ)21(+

=， (m=0,±1,±2,...) （2.6） 干涉条纹间距： d

D e λ

=

（2.7） 2.2.2杨氏双缝干涉程序流程图

图1.2 杨氏双缝干涉实验仿真程序流程图

开始

输入参数波长，缝宽，观察距离等

Linspace()确定x ，y 方向的范围并确定采样点

利用光强分布公式计算每一个采样点的光强I(x,y)

调用plot()，imshow （）函数显示光强灰度及分布图

结束

2.2.3用户界面的设计

图形用户界面（GUI ）是指由窗口、菜单、图标、光标按键、对话框和文本等各种图形对象组成的用户界面。它让用户定制用户与MATLAB 的交互方式，而命令窗口不是唯一与MATLAB 的交互方式 （1）用户界面设计图如下：

图1.3 物理光学实验仿真平台布局思路图

（2）各个实验界面的设计:

每一个干涉或衍射实验都可以看作是一个独立的单元。设计一个专用的界面，在这一界面中，主要包括图形显示，参数输入，以及实验仿真的结束。本文的设计思路是通过按钮控件，图形显示控件，静态文本框控件以及编辑框控件来实现。思路构图如下：

图1.4 物理光学实验仿真平台各实验界面构图

物理光学实验 干涉实验 衍射实验

球 面平 面 波 杨 氏 干 涉 等 倾 干 涉 等 厚 干 涉 多 光 束 单 缝 衍 射

圆 孔 衍 射

多 缝 衍 射

双 缝 衍 射

光 栅 衍 射

矩 孔 衍 射

光强分布图

干涉或衍射图样

实验参数变化

实验参数变化 实验参数变化

启动

结束

（3）用户界面思路流程图：

开始

否

仿真文件是否存在

是

在参数输入窗口输入所要用到的参数值

利用光强分布公式计算光强分布

绘制光强分布二维图样及灰度图样

结束

图1.5 物理光学实验仿真平台用户界面程序流程图

3. 本课题研究的重点及难点，前期已开展工作

3.1本课题研究的重点

（1）光的干涉原理的理论基础；

（2）各类干涉实验的过程以及实验的结果；

（3）光的衍射原理的理论基础；

（4）各类衍射实验的过程以及实验的结果；

（5）物理光学实验的计算机仿真。

3.2本课题研究的难点

（1）仿真程序的编写；

（2）用户界面的设计。

3.3前期已开展的工作

完成选题后，在指导老师的指导下学习基础理论知识，在掌握了一定的理论知识的基础上完成资料的初步查阅，并对所选课题加深了解。将所查阅的资料进