基于LabVIEW的干涉虛擬實(shí)驗(yàn)研究

翟龍華

（池州學(xué)院，安徽 池州 247000）

基于LabVIEW的干涉虛擬實(shí)驗(yàn)研究

翟龍華

（池州學(xué)院，安徽 池州 247000）

根據(jù)光的雙縫干涉實(shí)驗(yàn)理論，利用LabVIEW編寫程序?qū)﹄p縫干涉實(shí)驗(yàn)進(jìn)行模擬，描述了雙縫干涉的圖樣和光強(qiáng)分布曲線，并計(jì)算了條紋間距和對(duì)比度，直觀地展示了雙縫干涉這一物理現(xiàn)象，同時(shí)設(shè)置了初始條件修改模塊，可以清晰地顯示不同條件下的干涉現(xiàn)象，為雙縫干涉的理論與實(shí)驗(yàn)提供了有力的支持。

LabVIEW；干涉；模擬實(shí)驗(yàn)

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)[1-2]是光學(xué)發(fā)展史上具有重要意義的實(shí)驗(yàn)之一，它通過(guò)精密的裝置使光的干涉現(xiàn)象能成功地演示出來(lái)，驗(yàn)證了惠更斯等人的光的波動(dòng)理論。但是由于楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)需要特殊的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，而這些設(shè)備與場(chǎng)所往往造價(jià)昂貴，光路調(diào)節(jié)復(fù)雜。因此，實(shí)驗(yàn)往往耗時(shí)長(zhǎng)久，并有可能得不到良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為此，利用LabVIEW軟件[3-4]對(duì)楊氏雙縫干涉仿真模型，可以在脫離實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的情況下，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行楊氏雙縫干涉的虛擬實(shí)驗(yàn)。本文研究了楊氏雙縫干涉理論模型，設(shè)計(jì)了仿真的數(shù)學(xué)模型，展現(xiàn)了楊氏雙縫干涉現(xiàn)象。

1 雙縫干涉實(shí)驗(yàn)原理

圖1 楊氏雙縫干涉原理圖

楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)裝置如圖1：由一個(gè)光源、單縫屏、雙縫屏以及顯示屏組成，單縫屏的作用是保證到達(dá)雙縫的光為同一波源發(fā)出的子波，S1、S2出射的光波為頻率相同、初相位相同的相干光，這兩列相干光會(huì)在顯示屏上相遇，由于到達(dá)屏幕各點(diǎn)的光程不同引起相位差，疊加的結(jié)果是在有些點(diǎn)加強(qiáng)，有些點(diǎn)抵消，形成干涉現(xiàn)象。在P點(diǎn)相遇是干涉加強(qiáng)或是干涉減弱取決于兩光波的光程差[5]：

其中，δ為光程差，D為雙縫屏到顯示屏的距離，2a為雙縫之間的距離，在通常的實(shí)驗(yàn)條件下和觀察范圍內(nèi)，有Da＜＜±x，利用z＜＜1時(shí)，

此時(shí)，相干疊加光波強(qiáng)度為

其中，I0、λ分別為入射光光強(qiáng)及波長(zhǎng)。

2 基于LabView的雙縫干涉虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 虛擬干涉實(shí)驗(yàn)前面板

前面板包括實(shí)驗(yàn)裝置演示區(qū)域、參數(shù)設(shè)整區(qū)域以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示區(qū)域三個(gè)部分。其中實(shí)驗(yàn)裝置演示區(qū)域，主要作用是讓同學(xué)直觀楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)和原理；參數(shù)設(shè)置區(qū)域可自由設(shè)定光源的波長(zhǎng)、強(qiáng)度，雙縫間距、縫屏距等參數(shù)；結(jié)果顯示區(qū)域可以直觀對(duì)應(yīng)此條件下的干涉波形及干涉條紋。圖2中直接觀察模擬條件入射波長(zhǎng)λ= 633nm，入射光強(qiáng)I0=1mw，雙縫寬度2a =150um，縫屏間距D =1m，通過(guò)觀察干涉圖案及對(duì)應(yīng)光強(qiáng)分布，逐一改變上述參數(shù)，可以得到雙縫干涉條紋強(qiáng)度的各種變化情況。

圖3 不同條件下的光強(qiáng)分布

比較圖3（a）與（b），當(dāng)入射光功率發(fā)生改變時(shí)，條紋數(shù)目與條紋間距沒有改變，但是明條紋的亮度發(fā)生改變，且光功率越大，明條紋亮度越亮。比較圖3（a）與（c）、（d）、（e），當(dāng)入射光波長(zhǎng)、雙縫寬度及縫屏間距發(fā)生改變時(shí)，條紋間距發(fā)生明顯變化，且入射光波長(zhǎng)越小，條紋間距越小，相同長(zhǎng)度條紋數(shù)目越多; 縫屏間距越小，條紋間距越小，相同長(zhǎng)度條紋數(shù)目越多，雙縫寬度越小，條紋間距越大，相同長(zhǎng)度條紋數(shù)目越少。

3 結(jié)論

結(jié)果表明，用LabVIEW開發(fā)的雙縫干涉演示實(shí)驗(yàn)與理論分析和實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全一致。用LabVIEW設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)課件是對(duì)大學(xué)物理教學(xué)手段一種嘗試，不僅可以幫助學(xué)生激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、建立基本光學(xué)干涉概念、驗(yàn)證光學(xué)波動(dòng)性的規(guī)律，更重要的是，課件界面的真實(shí)性和可操作性，有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，創(chuàng)造性，有助于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和增加學(xué)習(xí)光學(xué)知識(shí)的信心。

[1]黃時(shí)中，倪致祥．大學(xué)物理 下冊(cè)［M］．北京：高等教育出版社2014：252

[2]趙凱華，鐘錫華. 光學(xué)( 下冊(cè)) ［M］. 北京: 北京大學(xué)出版社，1984: 2-11.

[3]陳琳，朱湘柱 楊氏雙縫干涉仿真模型設(shè)計(jì)[J] . 計(jì)算機(jī)仿真，2009， 26(9):269-272

[4]李江全，任玲等.LabVIEW虛擬儀器從入門到測(cè)控應(yīng)用130例[M] 電子工業(yè)出版社2013：204-208

[5]姚啟鈞. 光學(xué)教程［M］. 北京: 高等教育出版社， 1989: 128-132.

Research on interference virtual experiment based on LabVIEW

ZHAI Long-hua

(Chizhou college， Chizhou Anhui 247000)

According to the theory of the double slit interference experiment， the dissertation simulates the double slit interference experiment by LabVIEW program. It describes the pattern and the light intensity distribution curve of the double slit interference， intuitively show the physical phenomenon of double slit interference. At the same time， the initial condition modification module is set up， which can clearly show the interference phenomenon under different conditions. It provides a strong support for the theory and experiment of the double slit interference.

LabVIEW; Interference; Simulation experiment

O348

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.020

1672–7304(2016)05–0041–02

池州學(xué)院研究中心自然科研項(xiàng)目“基于labview 的自混合干涉理論研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2014ZR002）。

（責(zé)任編輯：吳湘銀）

翟龍華（1988-），男，安徽蕪湖人，研究方向：光學(xué)技術(shù)。