基于MATLAB的物理光學(xué)仿真

毛少娟　陳玉丹　殷建玲

摘要：利用MATLAB編程語言對典型物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真模擬，制作了包括干涉、衍射、信息光學(xué)、晶體光學(xué)實(shí)驗(yàn)在內(nèi)的光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺，可應(yīng)用到光學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使整個(gè)抽象的物理過程變得直觀形象，增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了物理光學(xué)課程的教學(xué)水平。

關(guān)鍵詞：物理光學(xué)；MATLAB；仿真

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）44-0100-03

一、引言

《物理光學(xué)》課程是我院直通車軍用光電工程專業(yè)開設(shè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，它是研究光的基本屬性、光的傳播規(guī)律、光與物質(zhì)相互作用以及相關(guān)應(yīng)用的學(xué)科，也是一門應(yīng)用性很強(qiáng)的學(xué)科。該課程的學(xué)習(xí)將與后繼課程，如光電技術(shù)、激光技術(shù)、光纖通信等有密切關(guān)系，也是學(xué)員今后開展軍用光電裝備保障工作的基礎(chǔ)。因此，教學(xué)質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到學(xué)員對今后專業(yè)課程的學(xué)習(xí)效果以及將來的崗位任職需要[1]。

當(dāng)前信息技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)已被廣泛應(yīng)用于各學(xué)科教學(xué)中[2]。而我院的《物理光學(xué)》課程教學(xué)依然主要沿用傳統(tǒng)的“口授、耳聽、筆演”的教學(xué)模式，尚未找到一種可以很好地囊括教學(xué)內(nèi)容的輔助教學(xué)軟件。基于此，筆者構(gòu)建了基于MATLAB的物理光學(xué)仿真平臺，有效地提高了課堂教學(xué)效率，改善了當(dāng)前課時(shí)壓縮和教學(xué)內(nèi)容有增無減的矛盾現(xiàn)狀。

二、平臺簡介

物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺主要包括四個(gè)模塊，分別為：干涉實(shí)驗(yàn)、衍射實(shí)驗(yàn)、信息光學(xué)和晶體光學(xué)，其總體構(gòu)架如圖1所示。其中干涉實(shí)驗(yàn)主要包括楊氏雙縫干涉、牛頓環(huán)和邁克爾遜干涉儀等典型干涉現(xiàn)象的仿真。衍射實(shí)驗(yàn)主要包括單縫衍射、光柵衍射、圓環(huán)衍射以及圓孔、矩孔、三角孔的衍射仿真，通過分析這些仿真結(jié)果，可以較好地掌握衍射現(xiàn)象的普遍規(guī)律。信息光學(xué)部分主要是對高通和低通濾波進(jìn)行了模擬仿真。晶體光學(xué)部分包括平行偏振光干涉和會聚偏振光的干涉。

三、各模塊的仿真實(shí)現(xiàn)

（一）干涉實(shí)驗(yàn)仿真

（二）衍射實(shí)驗(yàn)仿真

在這部分，主要是對幾種不同孔徑的夫瑯和費(fèi)衍射進(jìn)行了仿真。夫瑯和費(fèi)衍射的仿真方法有兩種：一種是傅里葉變換方法，另一種是利用衍射積分公式進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。兩種方法相比較，傅里葉變換方法編程簡單、語句少、速度快。選取圓孔夫瑯和費(fèi)衍射為例，對其進(jìn)行模擬仿真。首先利用兩個(gè)for循環(huán)語句生成圓孔衍射孔徑，再利用函數(shù)fft2（）對衍射孔徑的場分布進(jìn)行傅里葉變換，從而得出觀察平面的頻譜，利用取模函數(shù)abs（）對該復(fù)數(shù)矩陣取模，得到振幅譜矩陣；再利用函數(shù)fftshift（）對取模后的矩陣進(jìn)行頻譜位移。核心程序如下：

最后，利用imshow、plot和mesh函數(shù)繪出觀察屏上的衍射圖樣、光強(qiáng)二維分布、光強(qiáng)三維分布圖。仿真結(jié)果如圖4所示。與干涉實(shí)驗(yàn)仿真模塊類似，也設(shè)計(jì)了滑動(dòng)條來連續(xù)改變實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

（三）信息光學(xué)仿真

在信息光學(xué)部分，主要對空間濾波中的高通和低通濾波進(jìn)行了仿真。首先采用imread函數(shù)讀入一幅圖像，存入二維矩陣，調(diào)用fft2函數(shù)對輸入圖像進(jìn)行傅里葉變換，依據(jù)濾波要求選擇合適的濾波函數(shù)T（u，v），將傅里葉變換結(jié)果與濾波函數(shù)T（u，v）相乘，調(diào)用傅里葉逆變換函數(shù)ifft2對相乘結(jié)果作變換得到輸出圖像，利用imshow函數(shù)將圖像顯示出來。高通濾波和低通濾波的仿真結(jié)果分別如圖5和圖6所示。

（四）晶體光學(xué)仿真

晶體光學(xué)部分，主要對偏振光干涉結(jié)果進(jìn)行了仿真。偏振光干涉裝置如圖7所示，其中P1、P2為偏振片，W為波片。在常見的偏振光干涉裝置中，偏振片P1和P2的透光軸方向放置成互相垂直或平行。通過光波的振動(dòng)分解，得到干涉場的光強(qiáng)分布。P1和P2垂直時(shí)，干涉場形成的干涉條紋和光強(qiáng)曲線如圖8所示。對于會聚偏振光干涉，通過MATLAB編程后，仿真干涉圖樣如圖9和10所示。

四、結(jié)語

《物理光學(xué)》課程理論性強(qiáng)，內(nèi)容晦澀難懂，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)不可能把實(shí)驗(yàn)器材搬到教室供學(xué)員操作。基于MATLAB制作的物理光學(xué)實(shí)驗(yàn)仿真平臺，可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的連續(xù)調(diào)節(jié)和圖像的動(dòng)態(tài)顯示，能夠應(yīng)用到光學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，增強(qiáng)學(xué)生對理論知識的理解，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高物理光學(xué)課程的教學(xué)水平。

參考文獻(xiàn)：

[1]毛少娟，陳玉丹，華文深.物理光學(xué)課程信息化教學(xué)改革[J].中國教育技術(shù)裝備，2015，（20）：102-103.

[2]李繼軍.Matlab GUI在光學(xué)仿真中的應(yīng)用[J].通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31（2）：52-54.