基于Matlab的光学实验仿真

光学模拟计算实验报告班级：物理学122班姓名：学号：实验目的：利用MATLAB软件编程实现了用衍射积分的方法对单缝衍射、杨氏双缝干涉、黑白光栅衍射的计算机模拟；以及用傅立叶变换方法对简单孔径衍射、黑白光栅及正弦光栅夫琅和费衍射的模拟。

实验仪器及软件：MATLAB；衍射积分；傅立叶变换；计算机模拟实验原理：大学教学课程中引入计算机模拟技术正日益受到重视，与Basic、C和Fortran相比，用MA TLAB软件做光学试验的模拟，只需要用数学方式表达和描述，省去了大量繁琐的编程过程。

下面来介绍利用MATLAB进行光学模拟的两种方法。

（一）衍射积分方法：该方法首先是由衍射积分算出接收屏上的光强分布，然后根据该分布调制色彩作图，从而得到衍射图案。

1．单缝衍射。

把单缝看作是np个分立的相干光源，屏幕上任意一点复振幅为np个光源照射结果的合成，对每个光源，光程差Δ=ypsinΦ,sinΦ=ys/D,光强I=I0(Σcosα)2+(Σsinα)2，其中α=2Δ/λ=πypys/λD编写程序如下，得到图1lam=500e-9;a=1e-3;D=1;ym=3*lam*D/a;ny=51;ys=linspace(-ym,ym,ny);np=51;yp=linspace(0,a,np);for i=1:nysinphi=ys(i)/D;alpha=2*pi*yp*sinphi/lam;图1 单缝衍射的光强分布 sumcos=sum(cos(alpha));sumsin=sum(sin(alpha));B(i,:)=(sumcos^2+sumsin^2)/np^2;endN=255;Br=(B/max(B))*N;subplot(1,2,1)image(ym,ys,Br); colormap(gray(N)); subplot(1,2,2) plot(B,ys); 2． 杨氏双缝干涉两相干光源到接收屏上P 点距离r 1=(D 2+(y-a/2)2)1/2, r 2=(D 2+(y+a/2)2)1/2,相位差Φ=2π（r 2-r 1）/λ,光强I=4I 0cos 2（Φ/2） 编写程序如下，得到图2 clear lam=500e-9 a=2e-3;D=1;ym=5*lam*D/a;xs=ym;n=101;ys=linspace(-ym,ym,n); for i=1:nr1=sqrt((ys(i)-a/2).^2+D^2); r2=sqrt((ys(i)+a/2).^2+D^2); phi=2*pi*(r2-r1)./lam;B(i,:)=sum(4*cos(phi/2).^2); end N=255;Br=(B/4.0)*Nsubplot(1,2,1) image(xs,ys,Br); colormap(gray(N)); subplot(1,2,2) plot(B,ys) 3． 光栅衍射公式：I=I 0（sin α/α）2（sin(λβ)/sin β）2α=(πa/λ)sin Φ β=(πd/λ)sin Φ编写程序如下：得到图3clearlam=500e-9;N=2; a=2e-4;D=5;d=5*a; ym=2*lam*D/a;xs=ym; n=1001;ys=linspace(-ym,ym,n); for i=1:nsinphi=ys(i)/D;alpha=pi*a*sinphi/lam; beta=pi*d*sinphi/lam;B(i,:)=(sin(alpha)./alpha).^2.*(sin(N*beta)./sin(beta)).^2; B1=B/max(B);end图2 杨氏双缝干涉的光强分布 图3 黑白光栅衍射光强分布NC=255;Br=(B/max(B))*NC; subplot(1,2,1) image(xs,ys,Br); colormap(gray(NC)); subplot(1,2,2) plot(B1,ys);（二）傅立叶变换方法：在傅立叶变换光学中我们知道夫琅和费衍射场的强度分布就等于屏函数的功率谱。

基于Matlab的光学实验仿真基于Matlab的光学实验仿真一、引言光学是研究光的传播、反射、折射和干涉等现象的学科，广泛应用于光学器件、光通信等领域。

在光学实验中，通过搭建实验装置来观察和研究光的行为，以验证光学理论并深入理解光的特性。

然而，传统的光学实验不仅设备复杂，成本高昂，而且需要大量的实验时间和实验设计。

因此，基于计算机仿真的方法成为了一种重要的补充和替代。

Matlab作为一种强大的数值计算和仿真工具，具有强大的数学运算能力和友好的图形界面，被广泛应用于科学研究和工程设计。

在光学实验中，Matlab可以模拟光的传播、折射、干涉等各种光学现象，使得研究人员可以在计算机上进行光学实验，加速实验过程并提高实验效率。

二、光的传播仿真在光学实验中，光的传播是一项重要的研究内容。

通过Matlab的计算能力，我们可以模拟光线在不同介质中的传播情况，并观察其光程差、折射等现象。

光的传播可以用波动光学的理论来描述，其中最经典的是亥姆霍兹方程。

在Matlab中，我们可以利用波动光学的相关工具箱，通过求解亥姆霍兹方程来模拟光的传播。

例如，我们可以模拟光在一特定系统中的衍射效应。

在Matlab中，衍射效应可以通过菲涅尔衍射和弗雷涅尔衍射来模拟。

我们可以设定特定的光源和障碍物，通过Matlab的计算能力计算光的传播、衍射和干涉等现象，得到不同条件下的衍射效应，并可视化展示。

三、光的折射仿真光的折射是光学领域中的另一个重要现象，研究光的折射对于理解光在不同介质中的传播行为至关重要。

通过Matlab的仿真，我们可以模拟光的折射行为，并研究不同介质对光的影响。

在Matlab中，我们可以利用光学工具箱中的折射相关函数，输入光线的入射角度、折射率等参数，模拟光线在不同介质中的折射行为。

通过改变不同介质的折射率、入射角度等参数，我们可以观察到光的全反射、折射偏折等现象，并进行定量分析和比较。

四、光的干涉仿真光的干涉是光学领域的重要研究课题之一，通过模拟光的干涉行为，可以深入理解光的相干性、波动性质等特性。

基于Matlab的光学实验仿真一、本文概述随着科技的快速发展，计算机仿真技术已成为科学研究、教学实验以及工程应用等领域中不可或缺的一部分。

在光学实验中，仿真技术能够模拟出真实的光学现象，帮助研究者深入理解光学原理，优化实验设计，提高实验效率。

本文旨在探讨基于Matlab的光学实验仿真方法，分析Matlab在光学实验仿真中的优势和应用，并通过具体案例展示其在光学实验仿真中的实际应用效果。

通过本文的阐述，读者将能够了解Matlab在光学实验仿真中的重要作用，掌握基于Matlab的光学实验仿真方法，从而更好地应用仿真技术服务于光学研究和实验。

二、Matlab基础知识Matlab，全称为Matrix Laboratory，是一款由美国MathWorks公司出品的商业数学软件，主要用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算等领域。

Matlab以其强大的矩阵计算能力和丰富的函数库，在光学实验仿真领域具有广泛的应用。

Matlab中的变量无需预先声明，可以直接使用。

变量的命名规则相对简单，以字母开头，后面可以跟字母、数字或下划线。

Matlab支持多种数据类型，包括数值型（整数和浮点数）、字符型、逻辑型、结构体、单元数组和元胞数组等。

Matlab的核心是矩阵运算，它支持多维数组和矩阵的创建和操作。

用户可以使用方括号 [] 来创建数组或矩阵，通过索引访问和修改数组元素。

Matlab还提供了大量用于矩阵运算的函数，如矩阵乘法、矩阵转置、矩阵求逆等。

Matlab具有强大的数据可视化功能，可以绘制各种二维和三维图形。

在光学实验仿真中，常用的图形包括曲线图、散点图、柱状图、表面图和体积图等。

用户可以使用plot、scatter、bar、surf和volume 等函数来创建这些图形。

Matlab支持多种控制流结构，如条件语句（if-else）、循环语句（for、while）和开关语句（switch）。

这些控制流结构可以帮助用户编写复杂的算法和程序。

《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是物理学、光学工程和光学科学等领域中重要的研究手段。

然而，实际的光学实验通常涉及到复杂的光路设计和精密的仪器设备，实验成本高、周期长。

因此，通过基于Matlab的光学实验仿真来模拟光学实验，不仅能够为研究提供更方便的实验条件，而且还可以帮助科研人员更深入地理解和掌握光学原理。

本文将介绍基于Matlab的光学实验仿真的实现方法和应用实例。

二、Matlab在光学实验仿真中的应用Matlab作为一种强大的数学计算软件，在光学实验仿真中具有广泛的应用。

其强大的矩阵运算能力、图像处理能力和数值模拟能力为光学仿真提供了坚实的数学基础。

1. 矩阵运算与光线传播Matlab的矩阵运算功能可用于模拟光线传播过程。

例如，光线在空间中的传播可以通过矩阵的变换实现，包括偏振、折射、反射等过程。

通过构建相应的矩阵模型，可以实现对光线传播过程的精确模拟。

2. 图像处理与光场分布Matlab的图像处理功能可用于模拟光场分布和光束传播。

例如，通过傅里叶变换和波前重建等方法，可以模拟出光束在空间中的传播过程和光场分布情况，从而为光学设计提供参考。

3. 数值模拟与实验设计Matlab的数值模拟功能可用于设计光学实验方案和优化实验参数。

通过构建光学系统的数学模型，可以模拟出实验过程中的各种现象和结果，从而为实验设计提供依据。

此外，Matlab还可以用于分析实验数据和优化实验参数，提高实验的准确性和效率。

三、基于Matlab的光学实验仿真实现方法基于Matlab的光学实验仿真实现方法主要包括以下几个步骤：1. 建立光学系统的数学模型根据实际的光学系统，建立相应的数学模型。

这包括光路设计、光学元件的参数、光束的传播等。

2. 编写仿真程序根据建立的数学模型，编写Matlab仿真程序。

这包括矩阵运算、图像处理和数值模拟等步骤。

在编写程序时，需要注意程序的精度和效率，确保仿真的准确性。

3. 运行仿真程序并分析结果运行仿真程序后，可以得到光束传播的模拟结果和光场分布等信息。

《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是物理学、光学工程和光学科学等领域中重要的研究手段。

然而，由于实验条件的限制和复杂性，实验过程往往需要耗费大量的时间和资源。

因此，基于Matlab的光学实验仿真成为了一种有效的替代方法。

通过仿真，我们可以在计算机上模拟真实的光学实验过程，获得与实际实验相似的结果，从而节省实验成本和时间。

本文将介绍基于Matlab的光学实验仿真的基本原理、方法、应用和优缺点。

二、Matlab在光学实验仿真中的应用Matlab是一种强大的数学计算软件，具有丰富的函数库和强大的计算能力，可以用于光学实验的仿真。

在光学实验仿真中，Matlab可以模拟各种光学元件、光学系统和光学现象，如透镜、反射镜、干涉仪、光谱仪等。

此外，Matlab还可以通过编程实现复杂的算法和模型，如光线追踪、光场计算、光波传播等。

三、基于Matlab的光学实验仿真方法基于Matlab的光学实验仿真方法主要包括以下几个步骤：1. 建立仿真模型：根据实验要求，建立相应的光学系统模型和算法模型。

2. 设置仿真参数：根据实际需求，设置仿真参数，如光源类型、光束尺寸、光路走向等。

3. 编写仿真程序：使用Matlab编写仿真程序，实现光路计算、光场分析和结果输出等功能。

4. 运行仿真程序：运行仿真程序，获取仿真结果。

5. 分析结果：对仿真结果进行分析和讨论，得出结论。

四、应用实例以透镜成像为例，介绍基于Matlab的光学实验仿真的应用。

首先，建立透镜成像的仿真模型，包括光源、透镜和屏幕等元件。

然后，设置仿真参数，如光源类型、透镜焦距、屏幕位置等。

接着，使用Matlab编写仿真程序，实现光线追踪和光场计算等功能。

最后，运行仿真程序并分析结果。

通过仿真结果，我们可以观察到透镜对光线的聚焦作用和成像效果，从而验证透镜成像的原理和规律。

五、优缺点分析基于Matlab的光学实验仿真具有以下优点：1. 节省时间和成本：通过仿真可以快速获得实验结果，避免实际实验中的复杂性和不确定性。

《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是研究光学现象和规律的重要手段，但在实际操作中往往受到诸多因素的限制，如实验设备的精度、实验环境的稳定性等。

因此，通过计算机仿真进行光学实验具有很大的实际意义。

本文将介绍一种基于Matlab的光学实验仿真方法，以期为光学研究提供一定的参考。

二、仿真原理及模型建立1. 仿真原理基于Matlab的光学实验仿真主要利用了光学的基本原理和数学模型。

通过建立光学系统的数学模型，模拟光在介质中的传播、反射、折射等过程，从而实现对光学实验的仿真。

2. 模型建立在建立光学实验仿真模型时，需要根据具体的实验内容和目的，选择合适的数学模型。

例如，对于透镜成像实验，可以建立光学系统的几何模型和物理模型，通过计算光线的传播路径和透镜的焦距等参数，模拟透镜成像的过程。

三、Matlab仿真实现1. 环境准备在Matlab中，需要安装相应的光学仿真工具箱，如Optic Toolbox等。

此外，还需要准备相关的仿真参数和初始数据。

2. 仿真代码实现根据建立的数学模型，编写Matlab仿真代码。

在代码中，需要定义光学系统的各个组成部分（如光源、透镜、光屏等），并设置相应的参数（如光源的发光强度、透镜的焦距等）。

然后，通过计算光线的传播路径和光强分布等参数，模拟光学实验的过程。

3. 结果分析仿真完成后，可以通过Matlab的图形处理功能，将仿真结果以图像或图表的形式展示出来。

通过对仿真结果的分析，可以得出实验结论和规律。

四、实验案例分析以透镜成像实验为例，介绍基于Matlab的光学实验仿真方法。

首先，建立透镜成像的数学模型，包括光线的传播路径和透镜的焦距等参数。

然后，编写Matlab仿真代码，模拟透镜成像的过程。

最后，通过分析仿真结果，得出透镜成像的规律和特点。

五、结论与展望基于Matlab的光学实验仿真方法具有操作简便、精度高等优点，可以有效地弥补实际实验中的不足。

通过仿真实验，可以更加深入地了解光学现象和规律，为光学研究提供一定的参考。

毕业设计（论文）基于MATLAB的波动光学实验仿真系统的构建本科生毕业设计（论文）任务书设计（论文）主要容：在MATLAB环境下，编写程序，实现几个波动光学实验项目的计算机仿真，包括光学拍实验、球面波干涉实验、氏干涉实验、等倾等厚干涉实验、夫琅和费衍射实验、费涅尔衍射实验和光栅衍射实验；编制仿真程序的图形用户界面，实现各个实验项目中相关参数的直接设置及结果显示，实现人机交互；创建独立的仿真应用程序。

要求完成的主要任务:1、查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于3篇，完成开题报告。

2、熟悉MATLAB的相关操作，学习MATLAB语言。

3、编写出仿真程序代码，制作GUI界面。

4、完成不少于5000字的英文文献翻译。

5、完成12000字的毕业设计论文。

必读参考资料：[1]敬辉，达尊，阎吉祥．物理光学教程[M]．：理工大学，2005．[2]王正林，明．精通MATLAB7[M]．：电子工业，2007．[3]平等．MATLAB基础与应用[M]．：航空航天大学，2005．指导教师签名系主任签名院长签名（章）目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1 波动光学的历史及研究对象 (1)1.2 光学实验仿真 (3)1.3 MATLAB仿真的特点 (4)1.4 设计思路 (5)2 光的干涉实验仿真 (7)2.1 光波的叠加原理 (7)2.2 光学拍的实验仿真 (9)2.3 球面波干涉实验仿真 (12)2.4 氏干涉的实验仿真 (20)2.5 等倾和等厚干涉实验仿真 (27)2.6 本章小结 (34)3 光的衍射实验仿真 (35)3.1 光的衍射现象及其分类 (35)3.2 夫琅和费衍射及其仿真实现 (37)3.3 菲涅耳衍射及其仿真实现 (43)3.4 光栅衍射及其仿真实现 (49)3.5 本章小结 (51)4 仿真系统图形用户界面设计 (53)4.1 波动光学主界面的仿真 (53)4.2 仿真模拟 (57)4.3 本章小结 (71)5 结束语 (72)参考文献 (74)附录 (75)致 (98)摘要本文利用MATLAB强大的矩阵运算功能和图形绘制功能，在波动光学相关理论的基础上，通过编程实现了几种常见的干涉和衍射现象的仿真，将其结果形象、直观地体现出来，对于波动光学的教学和学习具有很好的帮助作用。

《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是物理学、光学工程和光学科学等领域中重要的研究手段。

然而，由于实验条件的限制和复杂性，有时难以进行精确的实验。

因此，基于计算机的光学实验仿真技术应运而生。

本文将介绍一种基于Matlab的光学实验仿真方法，通过对光路的建模、光线传播的模拟和光强分布的计算，实现光学实验的精确仿真。

二、仿真原理及建模基于Matlab的光学实验仿真主要包括以下步骤：1. 建立光路模型。

根据实际光学实验的需求，建立光路模型，包括光源、透镜、反射镜等光学元件的参数和位置关系。

2. 光线传播模拟。

根据光路模型，模拟光线在光学元件之间的传播过程，包括光线的折射、反射等物理过程。

3. 光强分布计算。

根据光线传播模拟的结果，计算光强分布，包括光强的空间分布和光谱分布等。

在Matlab中，可以使用矩阵运算和数值计算等方法实现上述步骤。

例如，可以使用矩阵表示光路模型中的光学元件和光线传播路径，通过矩阵运算实现光线的传播和光强分布的计算。

三、仿真实现以一个简单的光学实验为例，介绍基于Matlab的光学实验仿真的实现过程。

1. 定义光源和光学元件参数。

在Matlab中定义光源的发光强度、波长等参数，以及透镜、反射镜等光学元件的参数和位置关系。

2. 建立光路模型。

根据定义的光源和光学元件参数，建立光路模型，包括光线传播路径和光学元件之间的相互作用。

3. 模拟光线传播。

使用Matlab中的矩阵运算和数值计算方法，模拟光线在光学元件之间的传播过程，包括光线的折射、反射等物理过程。

4. 计算光强分布。

根据光线传播模拟的结果，计算光强分布，包括光强的空间分布和光谱分布等。

5. 绘制仿真结果。

将计算得到的光强分布结果绘制成图像或图表，以便于观察和分析。

四、仿真结果分析通过对仿真结果的分析，可以得出以下结论：1. 基于Matlab的光学实验仿真可以实现对光学实验的精确模拟，具有较高的精度和可靠性。

2. 通过仿真可以方便地观察和分析光路中光线传播的过程和光强分布的情况，有助于深入理解光学原理和光学元件的相互作用。

《基于Matlab的光学实验仿真》篇一一、引言光学实验是物理学中重要的实验领域之一，其研究范围涵盖了光的传播、干涉、衍射、偏振等基本现象。

然而，在实际的光学实验中，由于各种因素的影响，如设备精度、环境噪声等，往往难以得到理想的实验结果。

为了更好地理解和研究光学现象，提高实验的准确性和效率，基于Matlab的光学实验仿真成为了一种有效的手段。

本文将介绍基于Matlab的光学实验仿真的基本原理、方法及其实验结果分析。

二、Matlab光学实验仿真的基本原理和方法1. 基本原理Matlab是一种强大的数学计算软件，其强大的数值计算和图像处理功能为光学实验仿真提供了可能。

在光学实验仿真中，我们可以通过建立数学模型，模拟光的传播、干涉、衍射等过程，从而得到光场分布、光强分布等光学参数。

2. 方法（1）建立数学模型：根据光学实验的实际情况，建立光的传播、干涉、衍射等过程的数学模型。

（2）设置参数：根据实验需求，设置模拟参数，如光波长、光束尺寸、光学元件参数等。

（3）运行仿真：在Matlab中运行仿真程序，得到光场分布、光强分布等光学参数。

（4）结果分析：对仿真结果进行分析，如绘制光强分布图、计算光程差等。

三、基于Matlab的光学实验仿真实例以光学干涉实验为例，介绍基于Matlab的光学实验仿真方法。

1. 建立数学模型：根据干涉实验的实际情况，建立双缝干涉的数学模型。

该模型包括双缝的结构参数、光的波长、干涉场的空间分布等。

2. 设置参数：根据实验需求，设置双缝间距、缝宽、光波长等参数。

3. 运行仿真：在Matlab中运行仿真程序，得到双缝干涉的光强分布。

4. 结果分析：对仿真结果进行分析，如绘制光强分布图、计算干涉条纹的可见度等。

通过仿真结果与实际实验结果的对比，验证了仿真方法的准确性和可靠性。

四、实验结果分析基于Matlab的光学实验仿真可以得到准确的光场分布、光强分布等光学参数，为光学实验提供了有效的手段。

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。