基于MATLAB的物理光學仿真

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實驗進行了仿真模擬，制作了包括干涉、衍射、信息光學、晶體光學實驗在內的光學實驗仿真平臺，可應用到光學理論和實驗教學中，使整個抽象的物理過程變得直觀形象，增強了學生的學習興趣，提高了物理光學課程的教學水平。

關鍵詞：物理光學；MATLAB；仿真

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

一、引言

《物理光學》課程是我院直通車軍用光電工程專業開設的一門重要的專業基礎必修課，它是研究光的基本屬性、光的傳播規律、光與物質相互作用以及相關應用的學科，也是一門應用性很強的學科。該課程的學習將與后繼課程，如光電技術、激光技術、光纖通信等有密切關系，也是學員今后開展軍用光電裝備保障工作的基礎。因此，教學質量的好壞直接關系到學員對今后專業課程的學習效果以及將來的崗位任職需要[1]。

當前信息技術飛速發展，計算機輔助教學已被廣泛應用于各學科教學中[2]。而我院的《物理光學》課程教學依然主要沿用傳統的“口授、耳聽、筆演”的教學模式，尚未找到一種可以很好地囊括教學內容的輔助教學軟件。基于此，筆者構建了基于MATLAB的物理光學仿真平臺，有效地提高了課堂教學效率，改善了當前課時壓縮和教學內容有增無減的矛盾現狀。

二、平臺簡介

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

三、各模塊的仿真實現

（一）干涉實驗仿真

（二）衍射實驗仿真

在這部分，主要是對幾種不同孔徑的夫瑯和費衍射進行了仿真。夫瑯和費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行數學計算。兩種方法相比較，傅里葉變換方法編程簡單、語句少、速度快。選取圓孔夫瑯和費衍射為例，對其進行模擬仿真。首先利用兩個for循環語句生成圓孔衍射孔徑，再利用函數fft2（）對衍射孔徑的場分布進行傅里葉變換，從而得出觀察平面的頻譜，利用取模函數abs（）對該復數矩陣取模，得到振幅譜矩陣；再利用函數fftshift（）對取模后的矩陣進行頻譜位移。核心程序如下：

最后，利用imshow、plot和mesh函數繪出觀察屏上的衍射圖樣、光強二維分布、光強三維分布圖。仿真結果如圖4所示。與干涉實驗仿真模塊類似，也設計了滑動條來連續改變實驗參數。

（三）信息光學仿真

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

（四）晶體光學仿真

晶體光學部分，主要對偏振光干涉結果進行了仿真。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。通過光波的振動分解，得到干涉場的光強分布。P1和P2垂直時，干涉場形成的干涉條紋和光強曲線如圖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、結語

《物理光學》課程理論性強，內容晦澀難懂，傳統的課堂教學不可能把實驗器材搬到教室供學員操作。基于MATLAB制作的物理光學實驗仿真平臺，可實現實驗參數的連續調節和圖像的動態顯示，能夠應用到光學理論和實驗教學中，增強學生對理論知識的理解，提升學生的學習興趣，提高物理光學課程的教學水平。

參考文獻：

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

[2]李繼軍.Matlab GUI在光學仿真中的應用[J].通化師范學院學報，2010，31（2）：52-54.