基于Matlab的光栅衍射等三种实验现象的模拟与实现开题报告
2022-01-27 21:47:31
全文总字数：3231字
1. 研究目的与意义及国内外研究现状
近些年来，利用计算机去模拟仿真一些复杂的物理现象已经成为热门方向。计算机模拟有着实际实验无法比拟的重复性，可操作的特点，可以随时对实验条件进行更改。而光学实验在物理中属于高精度实验，实验条件比较苛刻，利用Matlab这一科学软件进行模拟，可以大大减少需要的时间和精力，本课题中的牛顿环，光栅衍射这些实验在大学物理实验中都属于较难观测的实验现象。通过Matlab演示预先写好的代码，可以让学生方便的了解实验的结果。并且利用GUI界面的优化，可以随时对实验条件进行更改。 通过对这牛顿环，光栅衍射和劳埃德镜这三种光学现象的模拟，加深对其光学原理的理解。编写完成代码以及GUI界面，应用到今后的教学中，可以提高教学的效率，方便演示实验现象。学生可以用这个程序得到的模拟结果与实际实验结果进行对比，提高学习效率，激发学生的学习兴趣。国内外研究现状
| 利用计算机软件模拟光学现象，是美国走在最前面，早期的光传输模拟计算软件Prop92是采用FORTRAN语言编写的，它的最大采样点为512*512。法国也开发了有其自身特点的光传输软件Miro，该软件是采用C 编写，可以运行于多个平台。现在我们比较多的利用Matlab来实现光学模拟。 我国光学仿真虽然起步较晚，最早在2004年西北工业大学的曲伟娟发表了基于Matlab的光学实验仿真的论文，但发展迅速，之后每年都有大量的基于Matlab的光学实验仿真论文发表，Matlab已经应用到光学仿真的各个方面，成为光学仿真的重要工具之一。相比别的专业软件，Matlab的基本单位是矩阵，它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似。故用Matlab来解决问题比用C、FORTRAN等语言简洁的多。 |
2. 研究的基本内容
| 首先本课题将在仿真实验的基础上系统的探讨实现光学仿真的理论和方法，并详细给出各种仿真的结果。具体的研究内容有： 1、 牛顿环的干涉实验 牛顿环是光学实验中一种常见的薄膜干涉现象。是一些明暗相间的同心圆环。一般在实验室中，需要极为苛刻的条件才能看到明显的牛顿环图案，利用Matlab我们可以轻松的模拟出牛顿环的图案。 仿真初步结果如下：
初步代码如下： axes(handles.axes1); lambda=get(handles.edit1,string); lambda=str2num(lambda); lambda=lambda/10^9; R=10; rm=10^-2; x=0:0.0001:rm; y=rm:-0.0001:0; [X,Y]=meshgrid(x,y); r2=X.^2 Y.^2; phi=2.*pi.*(r2./R lambda./2)./lambda; I=4*cos(phi./2).^2; N=255; Ir2=(I/4.0)*N; Irl=fliplr(Ir2); Ir3=flipud(Irl); Ir4=flipud(Ir2); Ir=[Irl Ir2;Ir3 Ir4]; image(Ir,XData,[-0.02,0.02],YData,[0.02,-0.02]); colormap(gray(N)); axis square 2、 光栅衍射实验 光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的非常重要的光学器件。它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，在经成像镜聚焦而形成光谱。 初步代码如下： lamda=[600 610 570 550 460 440 410]*10^(-9); d=8.0*10^-5; b=4.0*10^-4; k=2; Bright=80; N=10; RGB=[1,0,0;1,0.5,0;1,1,0;0,1,0;0,1,1;0,0,1;0.67,0,1];%y-RGB Irgb=zeros(150,1048,3); Iw=zeros(150,1048,3); theta=(-0.015*pi 0.03*pi/1048:0.03*pi/1048:0.015*pi); phi=pi*b*sin(theta)/lamda(k); alpha=pi*d*sin(theta)/lamda(k); xl=b*sin(theta)/lamda(k); Idf=(sin(alpha)./alpha).^2; Igs=(sin(N*phi)./sin(phi)).^2; I=Idf.*Igs; for i=1:150; Iw(i,:,1)=I*RGB(k,1); Iw(i,:,2)=I*RGB(k,2); Iw(i,:,3)=I*RGB(k,3); end Irgb=Iw; Br=1/max(max(max(Irgb))); II=Irgb*Br*Bright; %axes(handles.axes); imshow(II); %axes(handles.axes1); plot(xl,I*Br*Bright); 初步演示结果如下：
3、 劳埃德镜实验 如图所示，为一反射镜。从狭缝射出的光，一部分（以①表示的光）直接射到屏幕P上，另一部分掠射到反射镜M上，反射后（以②表示的光）到达屏幕上。反射光可看成是由虚光源发出的。、构成一对相干光源。图中阴影的区域表示叠加的区域，这时，在屏幕上可以观察到明、暗相间的干涉条纹。
劳埃德镜不但显示了光的干涉现象，而且还显示了当光由光速较大（折射率较小）的介质射向光速较小（折射率较大）的介质时，反射光的相位发生了跃变。 |
3. 实施方案、进度安排及预期效果
| 实行方案： 1. 对几种典型的物理光学现象进行编程，得到对应的光强分布图及明暗条纹。 2.创建实验仿真平台，实现每个实验项目的选取和各个参数的灵活设置。 3.调试仿真程序，优化仿真平台界面。 预计进度： 2015年12月—2016年1月：上网查找资料，确定自己研究的方向及课题题目。 2016年2月—2016年3月中旬：在老师的指导下，拟定写作提纲并完成初稿。 2016年3月—2016年4月：论文修改。听取老师意见，并交指导老师评审。 2016年4月——：定稿。 预期效果：设计好完整的程序以及美观的GUI界面，并能完美演示光学现象。 |
4. 参考文献
| 1、叶玉堂、肖峻等.光学教程[M].第二版，清华大学出版社，2011。 2、宗节保，段柳云，王莹等.基于MATLAB GUI软件制法的研究与实现[J].计算机技术应用， 2010，Vol.07（037），PP.55-56。 3、Anton Dubrau，Laurie Hendren，Taming MATLAB-ACM SIGPLAN Notices: A Monthly Publication of the Special Interest Group on Programming Languages[J]，2012, Vol.47(10)，PP.6-16。 4、钟可君，张海林.基于Matlab GUI设计的光学实验仿真[J].实验室研究与探索，2010，Vol.29(10)，PP.52-53。 5、吴平辉，付恋恋，蒋记望等.物理光学实验仿真平台的开发[J].实验室研究与探索，2012，Vol.31(5)，PP.31-33。 6、陈垚光.精通MATLAB GUI 设计[M].北京：电子工业出版社，2013. 7、华初一.MATLAB在光学教学及实验中的应用研究[D].内蒙古：内蒙古大学，2013。 |
