MATLAB模拟演示小孔衍射

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二、菲涅耳－基尔霍夫衍射公式（确定了C、K()) 基尔霍夫 (Kirchhoff) 从波动方程出发，用场论得出了 比较严格的衍射公式。
A expik l expik r cosn, r cosn, l E P ＝ d i l r 2
菲涅尔假设： 当 = 0 时，K()=Max, p/ 时，K()=0.
（实验证明是不对的） 若S发出的光源振幅为A（单位距离处）,整个波面’的贡献
CA expikr ~ E P expikR K d R r
求解此公式主要问题：C、K()没有确切的表达式。
设
l
x sin x , f
a b
m
y sin y f
~ E x, y C 2a 2b exp ik lx1 my1 dx1 dy1
2 2
28
~ E x, y C 2a 2b exp ik lx1 my1 dx1 dy1
2 2
P0 E
17
r z1
2 2 x x1 y y1
2 z1
称为菲涅耳近似。
得到菲涅耳衍射：
e ikz1 ~ E x, y iz1

k ~ 2 2 E x1 , y1 exp i x x1 y y1 2 z1 y y
~ 和E0 abC
则
~ ~ sin sin E x, y E0
子波的复振幅与 cosn, r cosn, l 2 成正比，与波长成反比。 K ( )
1 p i exp[ i ] i 2 表示子波的振动位相超前于入射波90。
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当光线接近于正入射时

《工程光学》综合性练习二题目：基于matlab的衍射系统仿真综合练习大作业二一、要求3-4人组成小组，对下面给出的各题目利用Matlab等工具进行仿真。

练习结束时每组提交一份报告及仿真程序。

在报告中应注明各仿真结果所对应的参数，如屏与衍射屏间距、孔径形状尺寸等。

二、仿真题目1.改变观察屏与衍射屏间距，观察观察屏上发生的衍射逐渐由菲涅耳衍射转为夫琅和费衍射1)原理图：S点光源发出的波长lam=500纳米S点发出光线经过单缝，缝宽a；单缝到衍射屏的距离L'2)Matlab代码clear;clcl=10; %l=input ('单缝到衍射屏的距离L=');a=0.2; %a=input('单缝的宽度(mm)a=');lam=500e-6; %lam=input('波长(nm)');x=-1:0.001:1; %接收屏边界y=x./sqrt(x.^2+l^2);z=a.*y/lam;I=1000*(sinc(z)).^2; %计算接受屏某点光强subplot(2,1,1) %绘制仿真图样及强度曲线image(2,x,I)colormap(gray(3))title('单缝衍射条纹')subplot(2,1,2)plot(x,I)title(光强分布)3)初始仿真图样（d=10）4)改变d之后的图样(d=1000)5)变化规律根据衍射屏以及接受屏的相对位置不同，由此产生菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的区别，根据我们模拟的情况得到菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的明显不同是夫琅禾费衍射条件下：中央有一条特别明亮的亮条纹，其宽度是其他亮条纹的两倍；其他亮条纹的宽度相等，亮度逐渐下降。

2.改变孔径形状、尺寸，观察图样变化1）原理图矩孔衍射：透镜焦距：1000mm;照射光波长：500nm;孔高：a（mm）；孔宽：b（mm）；圆孔衍射：圆孔直径：r（mm）；照射光波长：500nm;照射光波长：500nm;2）matlab代码矩孔衍射：focallength=1000;lambda=500;a=2.0;b=2.0;resolution=64;center=(resolution)/2;A=zeros(resolution,resolution);for i=1:1:resolutionfor j=1:1:resolutionif abs(i-center)<a*10/2 & abs(j-center)<b*10/2 A(j,i)=255;endendendE=ones(resolution,resolution);k=2*pi*10000/focallength/lambda;imag=sqrt(-1);for m=1:1:resolutionx=m-center;for n=1:1:resolutiony=n-center;C=ones(resolution,resolution);for i=1:1:resolutionp=i-center;for j=1:1:resolutionq=j-center;C(j,i)=A(j,i)*exp(-imag*k*(x*p+y*q)); endendE(n,m)=sum(C(:));endendE=abs(E);I=E.^2;I=I.^(1/3);I=I.*255/max(max(I));L=I;I=I+256;CM=[pink(255).^(2/3);gray(255)];Colormap(CM);edge=(resolution-1)/20;[X,Y]=meshgrid([-edge:0.1:edge]);x=linspace(-edge,edge,resolution);y=linspace(-edge,edge,resolution);subplot(1,2,1);surf(x,y,L);axis([-edge,edge,-edge,edge,0,255]);caxis([0,511]);subplot(1,2,2);image(x,y,I);axis([-edge,edge,-edge,edge,0,511]);view(2);axis square;圆孔衍射：clearlmda=500e-9; %波长r=1.2e-3; %f = 1; %焦距N = 19;K = linspace(-0.1,0.1,N) ;lmda1 = lmda* ( 1 + K) ;xm = 2000* lmda* f;xs = linspace(-xm,xm,2000) ;ys = xs;z0 = zeros( 2000) ;[x,y]= meshgrid( xs) ;for i = 1: 19s = 2*pi*r*sqrt(x.^2 + y.^2)./(lmda1( i) ) ;z = 4* ( besselj( 1,s)./( s + eps) ).^2; %光强公式z0 = z0 + z;endz1 = z0 /19;subplot( 1,2,1)imshow( z1* 255) ; %平面图xlabel( 'x')ylabel( 'y')subplot( 1,2,2)mesh( x,y,z1) %三维图colormap(gray)xlabel( 'x')ylabel( 'y')zlabel( '光强')3）仿真图样：矩孔衍射：a=1，b=2a=2，b=2可知：矩孔在一个维度上展宽一定倍数将导致衍射图样在相同维度上缩短相同倍数，同时能量会更向中心亮斑集中。

实验7衍射的Matlab模拟一、实验目的：掌握衍射的matlab模拟。

二、实验内容：1）单个圆孔夫朗和费衍射的matlab模拟2）双圆孔夫朗和费衍射的matlab模拟3）同一波长，狭缝数量分别为1、2、3、6、9、10时候的夫朗和费衍射的matlab模拟4）对4个不同波长的光照射时，狭缝数量分别为1、3时候的夫朗和费衍射的matlab 模拟5）单个圆孔菲涅尔衍射的matlab模拟6）模拟圆孔（或者单缝）衍射时，衍射屏到接收屏距离不同的时候衍射的图样1)clearclclam=632.8e-9;a=0.0005;f=1;m=300;ym=4000*lam*f;ys=linspace(-ym,ym,m);xs=ys;n=200;for i=1:mr=xs(i)^2+ys.^2;sinth=sqrt(r./(r+f^2));x=2*pi*a*sinth./lam;hh=(2*BESSELJ(1,x)).^2./x.^2;b(:,i)=(hh)'.*5000;B=b/max(b);endimage(xs,ys,b);colormap(gray(n));figure;plot(xs,B);colormap(green);-2.5-2-1.5-1-0.500.51 1.52 2.5x 10-3-2.5-2-1.5-1-0.50.511.522.5x 10-3-3-2-10123x 10-300.10.20.30.40.50.60.70.80.912)%双圆孔夫琅禾费衍射clear all close all clc %lam=632.8e-9;a=0.0005;f=1;m=300;ym=4000*lam*f;ys=linspace(-ym,ym,m);xs=ys;n=200;for i=1:m r=xs(i)^2+ys.^2;sinth=sqrt(r./(r+f^2));x=2*pi*a*sinth./lam;h=(2*BESSELJ(1,x)).^2./x.^2;d=10*a;deltaphi=2*pi*d*xs(i)/lam;hh=4*h*(cos(deltaphi/2))^2;b(:,i)=(hh)'.*5000;end image(xs,ys,b);colormap(gray(n));-2.5-2-1.5-1-0.500.51 1.52 2.5x 10-3-2.5-2-1.5-1-0.50.511.522.5x 10-33)lamda=500e-9;%波长N=[1236910];for j=1:6a=2e-4;D=5;d=5*a;ym=2*lamda*D/a;xs=ym;%屏幕上y 的范围n=1001;%屏幕上的点数ys=linspace(-ym,ym,n);%定义区域for i=1:n sinphi=ys(i)/D;alpha=pi*a*sinphi/lamda;beta=pi*d*sinphi/lamda;B(i,:)=(sin(alpha)./alpha).^2.*(sin(N(j)*beta)./sin(beta)).^2;B1=B/max(B);end NC=256;%确定灰度的等级Br=(B/max(B))*NC;figure(j);subplot(1,2,1);image(xs,ys,Br);colormap(hot(NC));%色调处理subplot(1,2,2);plot(B1,ys,'k');end-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025狭缝数为1-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025狭缝数为2-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025狭缝数为3-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025狭缝数为9狭缝数为6-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.0254）lamda=400e-9:100e-9:700e-9;%波长N=[13];a=2e-4;D=5;d=5*a;for j=1:4ym=2*lamda(j)*D/a;xs=ym;%屏幕上y 的范围n=1001;%屏幕上的点数ys=linspace(-ym,ym,n);%定义区域for k=1:2for i=1:n sinphi=ys(i)/D;alpha=pi*a*sinphi/lamda(j);beta=pi*d*sinphi/lamda(j);B(i,:)=(sin(alpha)./alpha).^2.*(sin(N(k)*beta)./sin(beta)).^2;B1=B/max(B);end NC=256;%确定灰度的等级Br=(B/max(B))*NC;figure();subplot(1,2,1);image(xs,ys,Br);colormap(hot(NC));%色调处理subplot(1,2,2);狭缝数为10plot(B1,ys,'k');end end-0.4-0.200.20.4-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.0200.51-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.02Lamda=400nm,N=1-0.4-0.200.20.4-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.0200.51-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.02-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025Lamda=400nm,N=3Lamda=500nm,N=1-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025-0.4-0.200.20.4-0.03-0.02-0.0100.010.020.0300.51-0.03-0.02-0.010.010.020.03Lamda=500nm,N=3Lamda=600nm,N=1-0.4-0.200.20.4-0.03-0.02-0.0100.010.020.0300.51-0.03-0.02-0.010.010.020.03-0.4-0.200.20.4-0.03-0.02-0.0100.010.020.0300.51-0.04-0.03-0.02-0.010.010.020.030.04Lamda=600nm,N=3Lamda=700nm,N=1-0.4-0.200.20.4-0.03-0.02-0.0100.010.020.0300.51-0.04-0.03-0.02-0.010.010.020.030.045）clearclcN=300;r=15;a=1;b=1;I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/2,N/2-1,N));D=((m-a).^2+(n-b).^2).^(1/2);i=find(D<=r);I(i)=1;subplot(2,2,1);imagesc(I)colormap([000;111])axis imagetitle('衍射前的图样')L=300;M=300;[x,y]=meshgrid(linspace(-L/2,L/2,M));lamda=632.8e-6;k=2*pi/lamda;z=1000000;Lamda=700nm,N=3h=exp(j*k*z)*exp((j*k*(x.^2+y.^2))/(2*z))/(j*lamda*z); H=fftshift(fft2(h));%传递函数B=fftshift(fft2(I));%圆孔频谱G=H.*B;U=fftshift(ifft2(G));Br=(U/max(U));subplot(2,2,2);imshow(abs(U));axis image;colormap(hot)%figure,imshow(C);title('衍射后的图样');subplot(2,2,3);mesh(x,y,abs(U));subplot(2,2,4);plot(abs(Br))6)lamda=500e-9;%波长N=1;%缝数，可以随意更改变换a=2e-4;D=3:7;d=5*a;for j=1:5ym=2*lamda*D(j)/a;xs=ym;%屏幕上y的范围n=1001;%屏幕上的点数ys=linspace(-ym,ym,n);%定义区域for i=1:nsinphi=ys(i)/D(j);alpha=pi*a*sinphi/lamda;beta=pi*d*sinphi/lamda;B(i,:)=(sin(alpha)./alpha).^2.*(sin(N*beta)./sin(beta)).^2;B1=B/max(B);endNC=256;%确定灰度的等级Br=(B/max(B))*NC;figure();subplot(1,2,1)image(xs,ys,Br);colormap(hot(NC));%色调处理subplot(1,2,2)plot(B1,ys,'k');end-0.4-0.200.20.4-0.015-0.01-0.00500.0050.010.01500.51-0.015-0.01-0.0050.0050.010.015D=3m-0.4-0.200.20.4-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.0200.51-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.02-0.4-0.200.20.4-0.025-0.02-0.015-0.01-0.00500.0050.010.0150.020.02500.51-0.025-0.02-0.015-0.01-0.0050.0050.010.0150.020.025D=5m D=4m-0.4-0.200.20.4-0.03-0.02-0.0100.010.020.0300.51-0.03-0.02-0.010.010.020.03-0.4-0.200.20.4-0.03-0.02-0.0100.010.020.0300.51-0.04-0.03-0.02-0.010.010.020.030.04D=7m D=6m。

源代码：N=512;disp('衍射孔径类型1.圆孔 2.单缝3.方孔')kind=input('please input 衍射孔径类型：');% 输入衍射孔径类型while kind~=1&kind~=2&kind~=3disp('超出选择范围，请重新输入衍射孔径类型');kind=input('please input 衍射孔径类型：');% 输入衍射孔径类型endswitch(kind)case 1r=input('please input 衍射圆孔半径(mm)：');% 输入衍射圆孔的半径I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/16,N/16-1,N));D=(m.^2+n.^2).^(1/2);I(find(D<=r))=1;subplot(1,2,1),imshow(I);title('生成的衍射圆孔');case 2a=input('please input 衍射缝宽：');% 输入衍射单缝的宽度b=1000;% 单缝的长度I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/4,N/4,N));I(-a<m&m<a&-b<n&n<b)=1;subplot(1,2,1);imshow(I);title('生成的衍射单缝');case 3a=input('please input 方孔边长：');% 输入方孔边长I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/4,N/4,N));I(-a/2<m&m<a/2&-a/2<n&n<a/2)=1;subplot(1,2,1),imshow(I);title('生成的方孔');otherwise kind=input('please input 衍射孔径类型：');% 输入衍射孔径类型end% 夫琅禾费衍射的实现过程L=500;[x,y]=meshgrid(linspace(-L/2,L/2,N));lamda_1=input('please input 衍射波长(nm)：');% 输入衍射波长;lamda=lamda_1/1e6k=2*pi/lamda;z=input('please input 衍射屏距离衍射孔的距离(mm)：');% 衍射屏距离衍射孔的距离h=exp(1j*k*z)*exp((1j*k*(x.^2+y.^2))/(2*z))/(1j*lamda*z);%脉冲相应H =fftshift(fft2(h));%传递函数B=fftshift(fft2(I));%孔频谱G=fftshift(ifft2(H.*B));subplot(1,2,2),imshow(log(1+abs(G)),[]);title('衍射后的图样');figuremeshz(x,y,abs(G));title('夫琅禾费衍射强度分布')实验输入：衍射孔径类型1.圆孔 2.单缝3.方孔please input 衍射孔径类型：1please input 衍射圆孔半径(mm)：3please input 衍射波长(nm)：632lamda =6.3200e-04please input 衍射屏距离衍射孔的距离(mm)：1000000实验结果：程序说明：本实验可以选择孔径类型、孔径半径、输入波长、衍射屏和衍射孔的距离等。

MATLAB编程用两种方法模拟光学实验摘要：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。

关键词：MATLAB；衍射积分；傅立叶变换；计算机模拟引言：美国Mathworks公司推出的MA TLAB，是一种集数值计算、符号预算、可视化建模、仿真和图形处理等多种功能于一体的优秀图形化软件。

本文介绍了通过MA TLAB软件编程实现用衍射积分和傅立叶变换实现夫琅和费衍射计算机模拟的方法。

计算机模拟为衍射实验的验证提供一条简捷、直观的途径。

从而加深了对物理原理、概念和图像的理解。

正文：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。

利用菲涅尔—基尔霍夫衍射公式对问题进行处理，通过去不同的z 值观察近场，菲涅尔区，夫琅和费区的衍射条纹。

菲涅尔—基尔霍夫衍射公式：()()()()000exp cos ,cos ,2jk r r A E P ds j r r λ∑+⎡⎤-⎣⎦=⋅⋅⎰⎰n r n r ()()100exp E E P A jkr ==由于单色平面波垂直照射，()()10, cos ,1E P A ==-n r ，由于一般考虑光强的相对值，所以分析时取A=1，()cos cos ,z r θ==n r ，并对方孔进行微元，将方孔每个点在光屏上衍射的复振幅进行叠加，即计算E x ，y = z iλe ikr z r+12r ds ，从而得到光屏上的衍射条纹。

对于方孔编程时采用循环的方式，对于光屏则利用矩阵对光屏整体的复振幅，光强等进行分析，加快运算速度。

实现代码clear;lambda=6.32e-7;%波长k=2*pi/lambda;z=550;%光屏位置a=0.01;b=0.01;%方孔尺寸x1=linspace(-0.005,0.005,199);y1=linspace(-0.005,0.005,199);%将方孔分为许多小的微元x=linspace(-0.2,0.2,299);y=linspace(-0.2,0.2,299);%将光屏分为许多小的微元[X,Y]=meshgrid(x,y);%用二维矩阵描述光屏上点的位置E=zeros(299,299);%用于存放光屏上每个点的复振幅r=zeros(299,299);%用于存放光屏上没一点对应方孔上点的距离for l=1:199for j=1:199 %计算方孔上的每个点在光屏上的复振幅r=sqrt((X-x1(l)).^2+(Y-y1(j)).^2+z*z); %当前方孔上点到光屏上各个点的距离E=E+(-i/lambda)*(exp(i*k*r)).*(z./(2*r.*r)+1./(2*r))*z; %对不同点在光屏上的复振幅进行累加 endendE1=conj(E);I=E1.*E; %求光强% pcolor(y,x,I) %作图% colorbarIx= I(1:299,200);%光屏中心水平方向光强分布plot(x,Ix)夫琅和费区：Z=550m光强分布光屏中心水平方向光强分布Z=1m近场区：Z=0.001m。

《MATLAB语言》课程论文MATLAB模拟演示小孔衍射姓名：王照义学号：12010245259专业：通信工程班级：10级通信工程指导老师：汤全武学院：物理电气信息学院完成日期：2011-12-10MATLAB模拟演示小孔衍射（王照义 12010245259 2010级通信班）[摘要]以单色标量波衍射理论为基础,研究了均匀平面波从不同角度入射小孔阵列的衍射特性。

运用单孔衍射理论,同时考虑相邻小孔间衍射光强的相互影响,建立了小孔阵列衍射的理论模型和光强分布的数值积分式,小孔为硬边小孔。

利用Matlab对500 nm波长的平面波入射微小方孔阵列衍射图样进行了计算机仿真,得到了不同几何参量下平面波从不同角度入射时的衍射图样的一维和二维光强分布图。

[关键字] 小孔衍射 MATLAB一、光的衍射种类包括：单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射及泊松亮斑光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕道障碍物阴影里去的现象。

这种现象叫光的衍射。

衍射时产生的明暗条纹或光环，叫衍射图样。

产生衍射的条件是：由于光的波长很短，只有十分之几微米，通常物体都比它大得多，但是当光射向一个针孔、一条狭缝、一根细丝时，可以清楚地看到光的衍射。

用单色光照射时效果好一些，如果用复色光，则看到的衍射图案是彩色的。

1．衍射现象光绕过障碍物偏离直线传播路径而进入阴影区里的现象，叫光的衍射。

光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性。

2．光产生明显衍射的条件小孔或障碍物的尺寸比光波的波长小，或者跟波长差不多时，光才能发生明显的衍射现象。

由于可见光波长范围为4×10-7m至7.7×10-7m之间，所以日常生活中很少见到明显的光的衍射现象。

任何障碍物都可以使光发生衍射现象，但发生明显衍射现象的条件是“苛刻”的。

当障碍物的尺寸远大于光波的波长时，光可看成沿直线传播。

注意，光的直线传播只是一种近似的规律，当光的波长比孔或障碍物小得多时，光可看成沿直线传播；在孔或障碍物可以跟波长相比，甚至比波长还要小时，衍射就十分明显。

第14卷第4期大　学　物　理　实　验　V ol.14N o.42001年12月出版PHY SIC A L EXPERI ME NT OF C O LLEGE Dec.2001收稿日期:2001-07-30文章编号:1007-2934(2001)04-0047-02用MAT LAB 语言模拟光衍射实验周　忆(安徽省科学技术培训中心,合肥,230031)　梁　齐(合肥工业大学,合肥,230009)摘　要:用M AT LAB 语言模拟编写了光衍射的模拟实验程度,给出了五种元件的夫琅和费衍射图。

关键词:衍射;模拟;M AT LAB 语言中图分类号:O4-39 文献标识码:A光的衍射现象是光具有波动性的重要特征,衍射无论在理论研究还是在大学物理教学中都占有较重要的地位。

笔者利用MAT LAB 较强的绘图和图像功能,针对多种衍射元件(单缝、双缝、光栅、矩孔、圆孔)编写了光衍射的模拟实验程序。

在计算机的模拟光的衍射,条件限制较少,对于衍射的实验教学是一种较好的补充。

程序首先根据衍射强度分布的理论公式及实验参数建立衍射相对强度的数据矩阵B (x ,y )然后利用image (B )和colormap (gray )命令绘出衍射图样。

同时,也绘制了衍射光强分布的二维或三维图。

单缝夫琅和费衍射的模拟结果见图1。

衍射光强公式为I =I 0(sin u/u )2,u =(πa sin θ/λ),a 是缝宽,λ是入射光的波长,θ是衍射角。

设观察屏位于单缝后正透镜的焦平面上,f 为透镜的焦距,x 为屏上横向坐标。

θ=arctan (x/f )。

模拟分成三组:第一组,λ=600nm ,f =600mm ,(a )a =0.20mm ;(b )a =0.10mm ;(c )a =0.05mm 第二组,a =0.10mm ,f =600mm ,(d )λ=500nm ;(e )a =600nm ;(f )λ=700nm第三组,a =0.10mm ,λ=600nm ,(g )f =300mm ;(h )f =600mm ;(i )f =900mm以下内容中,取λ=600nm ,f =600mm ,衍射图样横坐标x 和纵坐标y 的范围均为[-20,20]mm 。

菲涅尔衍射Matlab仿真——《高等物理光学》实验报告学院：物理学院姓名：廖宝鑫学号：20目录1. 菲涅尔衍射衍射原理 ......................................................... 错误!未定义书签。

2.实验想法及步骤 ................................................................. 错误!未定义书签。

实验思路.......................................................................... 错误!未定义书签。

实验步骤.......................................................................... 错误!未定义书签。

3.程序源代码： ..................................................................... 错误!未定义书签。

4.运行结果展示 ..................................................................... 错误!未定义书签。

5.结论 ..................................................................................... 错误!未定义书签。

1. 菲涅尔衍射衍射原理假设一个有限孔径，设孔径屏的直角坐标系为（x0,y0），并且观察平面与孔屏平行，两个平面间的间距为z ，观察平面的坐标系为（x,y ），这时，观察平面上的场可以表示为()()()()0000000,,,,0exp{j2}x y x y U x y z df df dx dy U x y f x x f y y π∞-∞∑=⎡⎤⋅-+-⎣⎦⎰⎰（1）根据近轴近似条件()222112x y f f λ≈-+ （2）同时利用傅里叶变换关系先对,x y f f 进行积分，得到如下的菲涅尔公式()()()()()220000000exp jkz ,,,exp{j }U x y z dx dy U x y x x y y j z zπλλ∑⎡⎤=⋅-+-⎣⎦⎰（3） 令()()()()22exp jkz ,exp{j }h x y x y j z z πλλ⎡⎤=+⎣⎦则式（3）可以写为()()()()()0000000,,,,y ,,y U x y z U x y h x x y dx dy U x y h x ∑=--=*⎰ （4）对（4）做傅里叶变换可以得到()()()0,,,,,x y x y x y A f f z A f f H f f z = （5）式中：()(){}00,,x y A f f FFT U x y =对于单位振幅入射平面波()(){}00,,x y A f f FFT t x y =()(){},,x y H f f FFT h x y =2.实验想法及步骤 实验思路根据以上原理，传递函数(),x y H f f 已知，只需要求得透射孔径的透过率函数()0,t x y ，然后对透过率函数进行傅里叶变换得，并与传递函数相乘得到(),,x y A f f z ，最后做一个逆傅里叶变换得到()(),,=IFFT{,,}x y U x y z A f f z 。

模拟夫琅禾费衍射实验程序说明：本实验可以选择孔径类型、孔径半径、输入波长、衍射屏和衍射孔的距离等。

当衍射屏和衍射孔的距离相对较小时，此衍射为菲涅耳衍射，当距离相对较大时满足夫琅禾费衍射的条件，两者的程序一样，只是距离Z的大小不一致。

又由于夫琅禾费衍射与傅里叶变换成正比，只差一个系数关系。

所以程序中的衍射既是直接对物光进行傅里叶变换即可。

Matlab源程序：N=512;disp('衍射孔径类型 1.圆孔 2.单缝 3.方孔')kind=input('please input 衍射孔径类型：');% 输入衍射孔径类型while kind~=1&kind~=2&kind~=3disp('超出选择范围，请重新输入衍射孔径类型');kind=input('please input 衍射孔径类型：');% 输入衍射孔径类型endswitch(kind)case 1r=input('please input 衍射圆孔半径(mm)：');% 输入衍射圆孔的半径I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/16,N/16-1,N));D=(m.^2+n.^2).^(1/2);I(find(D<=r))=1;subplot(1,2,1),imshow(I);title('生成的衍射圆孔');case 2a=input('please input 衍射缝宽：');% 输入衍射单缝的宽度b=1000;% 单缝的长度I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/4,N/4,N));I(-a<m&m<a&-b<n&n<b)=1;subplot(1,2,1);imshow(I);title('生成的衍射单缝');case 3a=input('please input 方孔边长：');% 输入方孔边长I=zeros(N,N);[m,n]=meshgrid(linspace(-N/4,N/4,N));I(-a/2<m&m<a/2&-a/2<n&n<a/2)=1;subplot(1,2,1),imshow(I);title('生成的方孔');otherwise kind=input('please input 衍射孔径类型：');% 输入衍射孔径类型end% 夫琅禾费衍射的实现过程L=500;[x,y]=meshgrid(linspace(-L/2,L/2,N));lamda_1=input('please input 衍射波长(nm)：');% 输入衍射波长;lamda=lamda_1/1e6k=2*pi/lamda;z=input('please input 衍射屏距离衍射孔的距离(mm)：');% 衍射屏距离衍射孔的距离h=exp(1j*k*z)*exp((1j*k*(x.^2+y.^2))/(2*z))/(1j*lamda*z);%脉冲相应H =fftshift(fft2(h));%传递函数B=fftshift(fft2(I));%孔频谱G=fftshift(ifft2(H.*B));subplot(1,2,2),imshow(log(1+abs(G)),[]);title('衍射后的图样');figuremeshz(x,y,abs(G));title('夫琅禾费衍射强度分布')实验输入：衍射孔径类型1.圆孔 2.单缝3.方孔please input 衍射孔径类型：1please input 衍射圆孔半径(mm)：3please input 衍射波长(nm)：632lamda =6.3200e-04please input 衍射屏距离衍射孔的距离(mm)：1000000实验结果：。

些多边形衍射孔matlab仿真实验报告实验报告：多边形衍射孔的MATLAB仿真一、实验目的本实验旨在通过MATLAB仿真，研究多边形衍射孔对光波的衍射现象，深入理解衍射的基本原理及其在光学系统中的应用。

二、实验原理衍射是光波遇到障碍物时，绕过障碍物的边缘继续传播的现象。

当光波通过一个具有规则形状的小孔或狭缝时，会按照一定的规律扩散，形成特有的衍射图案。

多边形衍射孔是一种特殊的衍射装置，通过多边形的每个角产生不同的衍射级次，形成复杂的衍射图案。

三、实验步骤1. 打开MATLAB软件，创建一个新的脚本文件。

2. 在脚本文件中，定义多边形的边长、角度和波长等参数。

3. 使用MATLAB中的绘图函数，绘制多边形的几何形状。

4. 根据衍射公式计算多边形每个角产生的衍射光强分布。

5. 在同一幅图上绘制出衍射图案，以便观察和比较。

6. 分析衍射图案的规律和特点，理解多边形衍射孔的工作原理。

7. 清理工作空间，保存脚本文件。

四、实验结果及分析以下是实验中得到的衍射图案示例：图1：正方形衍射孔的衍射图案（请在此处插入正方形衍射孔的衍射图案）分析：从图中可以看出，正方形衍射孔产生了4个明显的衍射级次，每个级次的强度分布呈现出对称性。

这是因为正方形有4个相等的边，每个角产生的衍射级次相同。

图2：六边形衍射孔的衍射图案（请在此处插入六边形衍射孔的衍射图案）分析：六边形衍射孔产生了6个明显的衍射级次，每个级次的强度分布也呈现出对称性。

这是因为六边形有6个相等的边，每个角产生的衍射级次相同。

与正方形相比，六边形的衍射图案更加复杂，这是因为六边形的角比正方形的角更多。

通过以上实验结果，我们可以得出以下结论：多边形衍射孔产生的衍射图案具有对称性，每个角产生的衍射级次相同。

多边形的边数越多，衍射图案越复杂。

在实际应用中，可以根据需要选择不同形状的多边形衍射孔，以获得所需的衍射效果。

( n,l ) ( n,r )
r
P
则 K
1 1 cos 2
13
将近似条件代入得到：菲涅耳－基尔霍夫衍射近似公式
exp ikR i ~ E P A 2 R


exp ikr 1 cos d r
( n,l ) ( n,r )
2
2
x1 x y1 y x 2 y 2 取上式前三项 r z1＋ z1 2 z1
x2 y2 exp[ ik ( z1 )] 2 z1 ~ E x, y iz1 ~ k i xx1 yy1 dx1dy1 E x1 , y1 exp z1
y1 x1
进一步的计算需要 将exp( ikr )中的r表 示成(x,y,z)的函数。
Q C z1 K
r
P
x
P0 E
孔径 的衍射
16
2.菲涅耳近似（对位相项的近似）
r z1 ( x x1 ) 2 y y1 z1 1
2 2
x x1 2 y y1 2
非平行光衍射光源面和接收面非物象共扼面源点和场点均满足远场近似源点和场点均在无限远处平行光衍射光源面和接收面物菲涅耳衍射夫琅和费衍射121
衍射的MATLAB模拟
刘雁 三峡大学理学院 2013.4
内容提要
衍射的基本理论
单缝衍射的Matlab模拟
一衍射的基本原理
光的衍射现象：光波在空间传播遇到障碍时，其传播方
2 2 夫琅合费衍射对z的要求 =600nm, x1 y1
x z
2
1
y1
2



max
2cm2

南京航空航天大学高等光学期末报告题目：基于Matlab的单缝菲涅尔衍射实验仿真学院专业姓名学号2014 年12 月30 日基于Matlab的菲涅尔衍射仿真摘要光学试验中衍射实验是非常重要的实验. 光的衍射是指光在传播过程中遇到障碍物时能够绕过障碍物的边缘前进的现象, 光的衍射现象为光的波动说提供了有力的证据. 衍射系统一般有光源、衍射屏和接受屏组成, 按照它们相互距离的大小可将衍射分为两大类, 一类是衍射屏与光源和接受屏的距离都是无穷远时的衍射, 称为夫琅禾费衍射, 一类是衍射屏与光源或接受屏的距离为有限远时的衍射称为菲涅尔衍射。

本文用Matlab软件主要针对单缝菲涅尔衍射现象建立了数学模型，对衍射光强分布进行了编程运算，对衍射实验进行了仿真。

关键字：Matlab；单缝菲涅尔衍射；仿真;光学实验AbstractOptical diffraction experiment is a very important experiment. is the diffraction of light propagation of light in the obstacles encountered in the process to bypass the obstacles when the forward edge of the phenomenon of light diffraction phenomenon of the wave theory of light provides a strong Evidence. diffraction systems generally have light, diffraction screen and accept the screen composition, size according to their distance from each other diffraction can be divided into two categories, one is the diffraction screen and the light source and the receiving screen is infinity when the distance between the diffraction Known as Fraunhofer diffraction, one is diffraction screen and the light source or accept a limited away from the screen when the diffraction is called Fresnel diffraction.In this paper, Matlab software on a typical phenomenon of a mathematical model of single slit Fresnel diffraction, the diffraction intensity distribution of the programming operation, the diffraction experiment is simulated.Key word: matlab；single slit Fresnel diffraction; simulation; optical experiment1.菲涅尔衍射的基本原理 1.1菲涅尔衍射的实验原理光在传播的过程中经过障碍物，如不透明物体的边缘、小孔、狭缝等时，一部分光会传播到几何阴影中去，产生衍射现象。

１ ２ ２
λ ( ｆ ｘ ＋ ｆ ２ｙ )
２
(１)
(２)
同时利用傅里叶变换关系先对 ｆｘꎬｆｙ 进行积
分ꎬ得到如下的菲涅尔公式:
Ｕ( ｘꎬｙꎬｚ) ＝
{ λｚπ [ ( ｘ － ｘ )
ｅｘｐ ｊ
令 ｈ( ｘꎬｙ) ＝
∫
ｅｘｐ( ｊｋｚ)
ｄｘ ０ ｄｙ ０ Ｕ( ｘ ０ ꎬｙ ０ )
ｊλｚ
０
２
∑
＋ ( ｙ － ｙ０ ) ２ ]
操作便捷、设计灵活等特点ꎬ从而达到较好的实验演示教学目的ꎮ
关
键
词: Ｍａｔｌａｂ ＧＵＩꎻ光的衍射ꎻ仿真实验Biblioteka 中图分类号: Ｏ ４￣３９
文献标志码: Ａ
菲涅尔衍射是大学物理重点学习内容ꎬ但光
的衍射实验现象对实验设备及环境要求苛刻ꎬ通
常不能达到较好的实验结果ꎮ 近年来ꎬ不断有人
在光的衍射仿真方面上做了多种尝试ꎬ吕波、徐志
要: 利用 Ｍａｔｌａｂ 仿真软件的 ＧＵＩ 图形用户界面可视化工具和 ＦＦＴ 傅里叶变换工具ꎬ对圆孔、方
摘
形孔、多边形孔、圆盘四种不同的孔形进行菲涅尔光的衍射实验仿真ꎮ 通过用户界面对光学参数进行数
据交互ꎬ能形象直观地得到四种不同孔径光的衍射图纹、光强三维分布、光强二维分布图像ꎮ 应用于物
理课堂教学中能将抽象难于实现的衍射实验现象直观呈现ꎬ同时ꎬ有助于学生对衍射原理的理解ꎬ具有
内容为圆孔、方形、多边形、圆盘ꎬ则系统在 ｐｏｐｕｐ￣
ｍｅｎｕ＿ＣｒｅａｔｅＦｃｎ 函数中自动生成如下代码:
ｓｅｔ( ｈＯｂｊｅｃｔꎬ‘ Ｓｔｒｉｎｇ’ ꎬ{ ‘ 圆孔’ ꎬ‘ 方形’ ꎬ‘ 多
边形’ ‘ 圆盘’ ꎬ''} ) ꎻ在可编辑文本框中设置光学

本文以常见的叫作“星芒”的 光 的 衍 射 现 象 作 为 出 发点，逐步尝 试 从 物 理 学 的 角 度 解 释 其 成 因。 近 年 许 多教师对光学实验的 Ｍａｔｌａｂ 仿 真 进 行 了 研 究 。 ［１－５］ 该 研究 根 据 惠 更 斯－菲 涅 尔 衍 射 原 理［６］，依 靠 Ｍａｔｌａｂ 强
关于“星芒”现象的 ｍａｔｌａｂ仿真模拟实现
陈 贤 钦１ 张 志 华２ 张 睿２ （同济大学 １汽车学院，２物理科学与工程学院，上海 ２０００９２）
摘 要 本文针对摄影中出现的小孔衍射现象———“星芒”，即以点状光源为中心 呈 均 匀 放 射 状的 衍 射 条 纹，采用 Ｍａｔｌａｂ软件模拟仿真衍射图样，并通过 Ｍａｔｌａｂ与 Ｖｉｓｕａｌ Ｓｔｕｄｉｏ ２０１３混合编程开发可 视化应用程序进行探究。为验证仿真结果的准确性，本文将典型的衍射 图 样 的 理 论 计算 值 与程 序模拟值进行比较，吻合程度较高，初步证明模拟仿真程序具有一定的 可 靠性。 最 后，本 文 利 用 模拟程序对由多边形孔产生的“星芒”线特征进行了探究，并得到了关于“星芒”线 数 量 与分布 特 征的初步结论。
２ 惠更斯－菲涅尔积分的 Ｍａｔｌａｂ实现
２．１ 计 算 原 理
为了通过 Ｍａｔｌａｂ模拟平行 光 的 小 孔 衍 射 现 象，首
在各向同性的介质中光波为球面波空间一点q的波幅大小与q0和q距离r成反比相位随着波数k与距离r的乘积而改变因此波源0产生的子波为r0eikrr另外根据菲涅尔对以上公式的修正平面上任一独立波源对q点波扰的贡献为dri0eikrrkds其中k为倾斜因子根据基尔霍夫给出的表达式k121cos因此q点波扰为所有小孔平面上所有波源的叠加ri2s0eikrr1cosds以小孔所在平面为xoy平面建立空间直角坐标系则xyzi2s0xy0eikrr2rzdxdy其中rxx2yy2z2这个积分式没有解析解但可以利用计算机得到数值解在计算机中其表示为xyzi2xy0xy0eikrr2rz为了使上述求和式的结果尽可能逼近积分式求和次数将成几何增长给计算机带来相当大的负担计算耗时长精度低因此考虑修改算法

圆孔衍射与像分辨本领的matlab仿真分析根据现代光学原理，圆孔衍射是一种典型的光学现象，它可以发生在空气中或其他介质中。

它由蒙特卡罗仿真计算机软件-Matlab可以有效地模拟并分析。

本文旨在介绍Matlab在圆孔衍射中的应用，并阐述像分辨本领。

一、Matlab仿真圆孔衍射1、仿真圆孔衍射的实验条件圆孔衍射的实验是以光折射实验室中的圆孔作为衍射源，光源是经过圆孔衍射实验室中的一台光源控制器电路控制的LED发光二极管。

由于衍射源的清晰的圆孔只有微小的孔径，所以这里用的是计算机软件Matlab来仿真圆孔衍射运动。

2、Matlab仿真圆孔衍射的方法Matlab是一种高级编程语言，是一种非常实用的数值计算工具，可以实现大规模数值模拟，它可以实现对圆孔衍射的仿真和分析。

首先，设置仿真参数，计算实验条件下的光强特性，然后再进行实验模拟，最后通过分析衍射模拟结果得到结论。

二、像分辨本领1、定义像分辨本领像分辨本领是指光学系统设计中所求出的一种最小像素大小，可以正确分辨一副图像中的两个相邻物体或者两个相邻像素。

大体上，它是用来衡量系统能够分辨其中物体的能力，而它也是一个重要的光学系统参数。

2、像分辨本领的计算方法像分辨本领是由光学系统中最小的可分辨模式所确定的，它的计算公式为：MTF = f/A，其中MTF是图像分辨本领，F表示物体相邻元素的强度差，A表示相邻元素的位置差。

像分辨本领的计算实际上是求解两个相邻物体的位置差和强度差百分比之商，即系统的分辨率。

三、总结本文分析了Matlab在圆孔衍射中的仿真和像分辨本领的应用，实验表明，使用Matlab对圆孔衍射及像分辨本领的仿真和分析模拟效果良好。

通过Matlab，我们可以有效地模拟和分析圆孔衍射，并用它来测量像分辨本领，从而帮助我们研究和设计光学系统。