【正文】 ，介紹了光學(xué)衍射仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理，特點(diǎn)，發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用，給出光學(xué)衍射仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計的理念和方法。 論文分為以下幾個部分： 首先，簡單地介紹了光學(xué)衍射 的基本原理和類型及其性質(zhì) ，還有 光學(xué) 衍射技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展 。 光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué) 引進(jìn)計算機(jī)仿真技術(shù) ， 使其 不受 實(shí)驗(yàn)儀 器和實(shí)驗(yàn)場所的限制，可以通過改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)獲得不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方便教師課堂演示，使課堂教學(xué)內(nèi)容形象化，表現(xiàn)手段多樣化，創(chuàng)造一個生動活潑的學(xué)習(xí)氛圍，讓 我們 能夠結(jié)合形象的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加深刻理解光學(xué)理論。Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 I 光學(xué)衍射仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計 摘 要 計算機(jī)技術(shù)是人類智慧的結(jié)晶 ， 它正在以十分迅猛的速度進(jìn)步中。 21 世紀(jì)的課堂， 計算機(jī)輔助教學(xué)以其靈活、生動、形象、鮮明的文字、聲音、圖形和動畫等豐富多彩的表現(xiàn)形式，使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容 豐富多彩，形象易懂 。開發(fā)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的仿真模擬系統(tǒng)，并將其運(yùn)用到物理光學(xué)的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中， 對大學(xué)光學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)代化發(fā)展有著深遠(yuǎn)的意義。 其次， 介紹光學(xué)衍射實(shí) 驗(yàn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，包括光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成，操作方法，還有衡量參數(shù)等。 最后，介紹光學(xué)衍射仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計過程，以及應(yīng)用到的關(guān)鍵技術(shù)和攻克的難題，還有系統(tǒng)的應(yīng)用前景和意義。 關(guān)鍵詞： 計算 機(jī)仿真 光 學(xué)衍射實(shí)驗(yàn) Matlab 混合編程 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 II Design on optical diffraction simulation experiment system ABSTRACT Computer technology is the crystallization of human intelligence, it is very rapid speed improvement. The 21st century classroom, puter aided teaching by its flexible, vivid, image, distinct words, sound, graphics and animation, and other rich and colorful forms, make physical experiment teaching content rich and colorful, the image is understandable. Optical experimental teaching introducing puter simulation technology, make its from experimental instruments and experimental site limitation, can obtain different experimental parameters by changing the experimental results, convenient teacher39。衍射現(xiàn)象是波的特有現(xiàn)象，一切波都會發(fā)生衍射現(xiàn)象。 衍射的分類 按照衍射物 的形狀 ， 可以分為 圓孔衍射，矩孔衍射，狹縫衍射 等 ；按照狹縫數(shù)量 的 多少， 可以分為 單縫衍射，雙縫衍射 ，多縫衍射，光 柵衍射等；按照衍射物與衍射圖樣距離的長短，可以分為菲涅耳衍射， 夫瑯禾費(fèi) 衍射。用單色光照射時效果好一些，如果用復(fù)色光，則看到的衍射圖案是彩色的。 ② 若光孔線度越小 ,光束受限制得越厲害 ,則衍射范圍越加彌漫。 當(dāng)光孔線度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光波長 ? 時，衍射效應(yīng)很不明顯 ,近似于直線傳播。當(dāng)光孔線度小到可以同光波長相比擬時 ，衍射效應(yīng)極為明顯，衍射范圍彌漫整個視場，過渡為散射情形。氣體或液體中的大量懸浮粒子 對光的散射，衍射也起重要的作用。衍射應(yīng)用大致可以概括為以下四個方面： ① 衍射用于光譜分析。 ② 衍射用于結(jié)構(gòu)分析。 ③ 衍射成像。光瞳衍射導(dǎo)出成像儀器的分辨本領(lǐng)。這是全息術(shù)原理中的重要一步。 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 4 2 光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基礎(chǔ)知識 引言 光學(xué)實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的重要組成部分。光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)是光學(xué)實(shí)驗(yàn)的一個重要組成部分。通過數(shù)據(jù)分析，我們可以得出結(jié)論，并應(yīng)用到實(shí)際開發(fā)、 研發(fā)當(dāng)中，效果顯著。見圖 21： 圖 21 單縫衍射原理圖 圖 21 為 夫瑯禾費(fèi) 衍射。 狹縫 透鏡 衍射屏 光源 Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 5 實(shí)驗(yàn)原理 －菲涅爾原理 惠更斯提出，媒質(zhì)上波陣面上的各點(diǎn)，都可以看成是發(fā)射子波的波源，其后任意時刻這些子波的包跡，就是該時刻新的波陣面。菲涅爾充實(shí)了惠更斯原理，他提出波前上每個面元都可視為子波的波源，在空間某點(diǎn) P的振動是所有這些子波在該點(diǎn)產(chǎn)生的相干振動的疊加，稱為惠更斯－菲涅爾原理。 圖 22 衍射原理圖 單縫 衍射 所謂夫瑯禾費(fèi)衍射是指光源、衍射屏和觀察屏三者之間都是相距無限遠(yuǎn)的情況。在單縫衍射實(shí)驗(yàn)中 , 常采用與單縫平行的線光源 , 此時 在觀察屏上將得到一些與單縫平行的直線衍射條紋 。 衍射級次越高， 光強(qiáng)就越小。 圖 24 光強(qiáng)與衍射級數(shù) 的關(guān)系 單縫衍射圖案，有以下特點(diǎn)： (1)縫寬不波長大得多時，衍射不明顯。 (3)縫寬小于波長時，衍射更加明顯。中央最大值的光強(qiáng)最大（主最大），次最大值遠(yuǎn)小于中央最大值 。 (6) 暗紋等間距；次最大不等間 距 。由于光柵具有較大的色散率和較高的分辨本領(lǐng)，它已被廣泛地裝配在各種光譜儀器中。 單色平行光束垂直照射光柵 ， 按照光柵衍射原理，衍射光柵中明條紋的位置為： ? ?...3,2,1,0,s in ??? kkd k ?? ， 式中λ為單色光波長， k是亮條紋級次， k? 為 k 級譜線的衍射角。 衍射光柵的基本特性可用分辨本領(lǐng)和色散率來表征。 sin?dPba??Lfo?Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 3 光學(xué)衍射仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計 設(shè)計 理念 仿真實(shí)驗(yàn)軟件的開發(fā)有利于節(jié)約實(shí)驗(yàn)室建設(shè)成本：重復(fù)利用率高、無損耗。 而我，將運(yùn)用 VB 及 MATLAB 這兩個軟件來設(shè)計光學(xué)衍射仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。其中，我通過 研究 MATLAB 在光學(xué)仿真層面上的優(yōu)勢及其編程的方法和技巧，最后把光學(xué)衍射的程序編寫出來。此過程 查閱相關(guān)的科學(xué)期刊和書 籍，以豐富理論知識，為編好程序打下基礎(chǔ)。 充分利用了 Matlab強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力編寫光學(xué)衍射程序和 Visual Basic 簡易的界面制作技術(shù)制作友好的人機(jī)界面，取長補(bǔ)短。 開發(fā)軟件的介紹 Matlab 是美國 MathWorks 公司推出的交互式、面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，擅長處理數(shù)值計算和系統(tǒng)模擬仿真。 Visual Basic 是 微軟公司開發(fā)的可視 化編程語言之一，簡單易學(xué)而且功能 強(qiáng)大 ，能夠迅速有效地編制優(yōu)良的可視化界面。 在 VB中調(diào)用 matlab 程序比較困難 ，可以通過 ActiveX 自動化技術(shù)或 MatlabXx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 的 COM Builder 技術(shù)實(shí)現(xiàn)?？梢?，這兩種方法都難以滿足軟件開發(fā)的要求。 混合編程方法 采用動態(tài)鏈接庫方法，也就是將 Matlab 編寫的 M 文件轉(zhuǎn)變成為 VB可以調(diào)用的 dll 文件，從而實(shí)現(xiàn) VB 對 Matlab 的調(diào)用。接下來利用Mat 軟件將其編譯為 dll 文件，編譯成功后還會自動生成在 VB 中聲明 dll 的模塊． bas 文件和． cls 文件。 (3)將生成的． cls 文件添加到 VB 的工程模塊中。利用 dll 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn) VB 對 Matlab 的調(diào)用，利用這種方法可以方便地在自己開發(fā)的軟件中嵌入 Matlab 強(qiáng)大的運(yùn)算功能，從而實(shí)現(xiàn)高速的運(yùn)算與友好人機(jī)界面的完美結(jié)合。整個軟件以一個主窗體將三個光學(xué)衍射實(shí)驗(yàn)整合在一起。 如圖 31 所示。包括 夫瑯禾費(fèi)單縫 衍射窗體，光柵衍射窗體， 夫瑯禾費(fèi)圓 孔 衍射窗體。下圖 32是 夫瑯禾費(fèi)單縫 衍射的 窗體。H10, 0amp。) End If End Sub Private Sub Command3_Click() End Sub Private Sub Command6_Click() = = = End Sub Private Sub Command7_Click() = 500 = 1 = 1 End Sub Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 13 三級窗體由二級窗體右邊的按鈕點(diǎn)擊進(jìn)入，主要有 “ 實(shí)驗(yàn)原理 ” ， “ 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 ” ，還有“課后思考 ” 。 下圖 33到圖 35 為夫瑯禾費(fèi)單縫衍射的三級窗體界面 。 又光強(qiáng)正比于振幅的平方，所以相對于 O 點(diǎn)主極大光 強(qiáng) 為 ： ? ? ? ?220 s inc os ?? ????II (33) 程序如下： function y=ys01(lambda,a,D)%lanbda 為波長， a 為縫寬， D 為衍射物到觀察Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 16 屏的距離 lambda=lambda*1e9。 ym=3*lambda*D/a。%屏幕上的點(diǎn)數(shù) ys=linspace(ym,ym,n)。%屏幕上的點(diǎn)數(shù) yp=linspace(0,a,n)。 alpha=pi*yp*sinphi/lambda。 sumsin=sum(sin(alpha))。 end N=256。 subplot(1,2,1) Brt=Br*ones(1,10)。xlabel(39。) colormap(gray(N))。k39。xlabel(39。) 設(shè) ? 為入射光波長； ? 為光柵上每一透光狹縫的寬度； d 為光柵常數(shù)； ? 為衍射角。對于光屏上任一點(diǎn) P的光強(qiáng)度，等于 N個相干光在該點(diǎn)產(chǎn)生的干涉光強(qiáng)度與寬度為 a的 夫瑯禾費(fèi) 單縫 衍射在該點(diǎn)產(chǎn)生的光強(qiáng)度的乘積，其強(qiáng)度可表示為： Xx 學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 17 ? ? 220 ]s in/)[ ( s in]/s in[ ???? NII p ? (35) 其中： 0I 為屏中心的最大光強(qiáng)； 2]/)[(sin ?? 為單縫衍射因子； 2)sin/(sin ??N為多光束干涉因子； ????? sin/? ； ???? sin/d? 。 %波長 %N=2。d=5*a。xs=ym。 ys=linspace(ym,ym,n)。 alpha=pi*a*sinphi/lambda。 B(i,:) =(sin(alpha)./alpha).^2.*(sin(N*beta)./sin(beta)).^2。 end NC=255。 Brt=Br*ones(1,10)。xlabel(39。) colormap(gray(NC))。k39。set(gca,39。,[0,1])。光強(qiáng)分布圖 39。 程序如下： function y=ys03(lambda,a,f) lambda=lambda*1e9 a=a*1e3 m=200。 ys=linspace(ym,ym,m)。 n=25