工程光学matlab仿真设计

工程光学仿真实验报告

1、氏双缝干涉实验

（1）氏干涉模型

氏双缝干涉实验装置如图1所示: S 发出的光

波射到光屏上的两个小孔S1 和S2 , S1 和S2 相

距很近,且到S 等距;从S1 和S2 分别发散出的光

波是由同一光波分出来的,所以是相干光波,它们在距离光屏为D 的屏幕上叠加,形成一定的干涉图

样。 图1.1 氏双缝干涉

假设S 是单色点光源,考察屏幕上某一点P ,从S1 和S2 发出的光波在该点叠加

产生的光强度为:

I = I1 + I2 + 2 I1 I2 cos δ （1-1）

式中, I1 和I2 分别是两光波在屏幕上的光强度, 若实验装置中S1 和S2 两个缝

大小相等, 则有

I1 = I2 =I0 （1-2）

δ= 2π（r2 - r1）/λ（1-3） （1-3） 2221)2/(D y d x r +++= （1-4） 2222)2/(D y d x r ++-= （1-5）

可得 xd r r 22

122=- （1-6）

因此光程差：12r r -=∆ （1-7）

则可以得到条纹的强度变化规律- 强度分布公式：

]/)([cos 1220λπd r r I I -= （1-8） （2）仿真程序

clear;

Lambda=650; %设定波长,以Lambda 表示波长

Lambda=Lambda*1e-9;

d=input('输入两个缝的间距 )'); %设定两缝之间的距离,以d 表示两缝之间距离

d=d*0.001;

Z=0.5; %设定从缝到屏幕之间的距离,用Z 表示

yMax=5*Lambda*Z/d;xs=yMax; %设定y方向和x方向的围

Ny=101;ys=linspace(-yMax,yMax,Ny);%产生一个一维数组ys,Ny是此次采样总点数

%采样的围从- ymax到ymax,采样的数组命名为ys

%此数组装的是屏幕上的采样点的纵坐标

for i=1:Ny %对屏幕上的全部点进行循环计算,则要进行Ny次计算L1=sqrt((ys(i)-d/2).^2+Z^2);

L2=sqrt((ys(i)+d/2).^2+Z^2); %屏上没一点到双缝的距离L1和L2

Phi=2*pi*(L2-L1)/Lambda; %计算相位差

B(i,:)=4*cos(Phi/2).^2; %建立一个二维数组,用来装该点的光强的值

end%结束循环

NCLevels=255; %确定使用的灰度等级为255级

Br=(B/4.0)*NCLevels; %定标:使最大光强(4. 0)对应于最大灰度级(白色) subplot(1,4,1),image(xs,ys,Br); %用subplot创建和控制多坐标轴

colormap(gray(NCLevels)); %用灰度级颜色图设置色图和明暗

subplot(1,4,2),plot(B(:),ys); %把当前窗口对象分成2块矩形区域

%在第2块区域创建新的坐标轴

%把这个坐标轴设定为当前坐标轴

%然后绘制以( b (: ) , ys)为坐标相连的线title('氏双缝干涉');

（3）仿真图样及分析

a)双缝间距2mm b)双缝间距4mm

c)双缝间距6mm d)双缝间距8mm

图1.2改变双缝间距的条纹变化

由上面四幅图可以看出，随着双缝之间的距离增大，条纹边缘坐标减小，也就是条纹间距减小，和理论公式d D e /λ=推导一致。如果增大双缝的缝宽，会使光强I 增加，能够看到条纹变亮。

二、氏双孔干涉实验

1、氏双孔干涉

氏双孔干涉实验是两个点光源干涉实验

的典型代表。如图2所示。当光穿过这两个

离得很近小孔后在空间叠加后发生干涉,

并在像屏上呈现出清晰的明暗相间的条纹。

由于双孔发出的波是两组同频率同相位的

球面波, 故在双孔屏的光射空间会发生干

涉。 于是, 在图2中两屏之间的空间里,

如果一点P 处于两相干的球面波同时到达

波峰(或波谷)的位置, 叠加后振幅达到最高, 图2.1 氏双孔干涉

表现为干涉波的亮点; 反之, 当P 处处于一个球面波的波峰以及另一个球面波的波谷时候，叠加后振幅为零，变现是暗纹。

1r 为S1到屏上一点的距离， 2221)2/(D y d x r +++= （2-1），2r 为S2到屏上这点的距离，2222)2/(D y d x r ++-= （2-2），如图2，d 为两孔之间的距离，D 为孔到屏的距离。由孔S1和孔S2发出的光的波函数可表示为 )ex p(11

11ikr r A E = （2-3） )ex p(2212ikr r A E =

（2-4） 则两束光叠加后 21E E E += （2-5）

干涉后光强 **E E I = （2-6）

2、仿真程序

clear;

Lambda=632*10^(-9); %设定波长,以Lambda 表示波长

d=0.001; %设定双孔之间的距离

D=1; %设定从孔到屏幕之间的距离,用D 表示

A1=0.5; %设定双孔光的振幅都是1

A2=0.5;

yMax=1; %设定y 方向的围

xMax=yMax/500; %设定x 方向的围

N=300; %采样点数为N

ys=linspace(-yMax,yMax,N);%Y 方向上采样的围从-ymax 到ymax

xs=linspace(-xMax,xMax,N);%X 方向上采样的围从-xmax 到xmax

for i=1:N

for j=1:N %对屏幕上的全部点进行循环计算,则要进行N*N 次计算 r1(i,j)=sqrt((xs(i)-d/2)^2+ys(j)^2+D^2);

r2(i,j)=sqrt((xs(i)+d/2)^2+ys(j)^2+D^2); %屏上一点到双孔的距离r1和r2 E1(i,j)=(A1/r1(i,j))*exp(2*pi*1j*r1(i,j)/Lambda);%S1发出的光的波函数 E2(i,j)=(A2/r2(i,j))*exp(2*pi*1j*r2(i,j)/Lambda);%S2发出的光的波函数 E(i,j)=E1(i,j)+E2(i,j); %干涉后的波函数

B(i,j)=conj(E(i,j)）*E(i,j); %叠加后的光强

end

end %结束循环

NCLevels=255; %确定使用的灰度等级为255级

Br=(B/4.0)*NCLevels; %定标:使最大光强(4. 0)对应于最大灰度级(白色) image(xs,ys,Br); %仿真出图像

colormap('hot');

title('氏双孔');