第31卷第2期2010年2月通化师范学院学报

JOURNALOFTONGHUATEACHERSCOLLEGEVo.l31 2Feb.2010

MatlabGUI在光学仿真中的应用

李继军

(长江大学物理科学与技术学院,湖北荆州434023)

摘 要:利用Matlab图形用户界面的设计与开发功能,结合真实的光谱图,制作了杨氏双缝干涉、牛顿环干涉、圆孔夫琅和费衍射的仿真模拟图形用户界面.实验所得出的图样细致逼真,使整个物理过程变得直观形象,对于帮助学生理解光学规律具有积极的作用.

关键词:Matlab;仿真;干涉;衍射

中图分类号:TP391.9 文献标志码:A 文章编号:1008-7974(2010)02-0052-03基金项目:长江大学教学研究项目,项目编号:JY2009016.收稿日期:2009-12-28

作者简介:李继军(1972-),男,湖北荆州人,硕士,长江大学物理科学与技术学院讲师.

干涉和衍射是光学教学中的重要内容,在传统教学中,教师在黑板上推导出光强度公式,然后,根据光强度公式在黑板上画出光强分布曲线,经验表明这种教学效果不好.随着计算机及模拟仿真技术

的发展,在课堂上利用计算机软件对光学过程进行仿真已经成为一种可能.

MATLAB软件是当今最优秀的科技应用软件

[1]

和开发环境之一,它以强大的科学计算与可视化功能,简单易用、可开放式、可扩展环境等特点在许多科学领域中成为计算机辅助设计和分析、算法研究和应用开发的基本工具和首选平台.在众多的使用matlab软件模拟光学现象的文章中,部分作者只是对单一波长进行模拟

[2-4]

由于入射光自两狭缝到达屏幕各点的光程不同,引起相位差,有的点加强,有的点消弱,造成干涉现象.

图1 双缝干涉示意图

设两狭缝光强均为I0,则屏幕上p点的光强I=

2 r

4I0cos, =2 为入射光波长, r=r2

,无法体现

-r1,r1和r2分别为自S1和S2到达p点的光程,r1=

y-水平距离.

可见光波段波长连续变化时的光学现象.部分作

[5-6]

者虽然能用白光模拟光学现象,但是处理方法粗糙,无法体现色彩的连续变化,此外没有使用Matlab图形用户界面(GraphicalUserInterfaces,GUI),导致交互性能不好.

本文利用光谱图,采用MatlabGUI对光学中的三个重要例子杨氏双缝干涉、牛顿环干涉、圆孔的夫琅和费衍射进行可见光波段的仿真,仿真结果与实验结果一致.GUI中采用交互式滚动条动态的展现各物理量之间的关系,更有利于加深学生对物理规律的理解和认识.

+z,r2=

2

y+

+z,y表示p点

2

的坐标,d为两缝之间的距离,z为缝与屏幕之间的

2 牛顿环干涉的光强公式

牛顿环干涉是一种通过分振幅获取相干光的的等厚干涉现象

[1]

.如图2所示,两相干反射光在某

2

点P处叠加,合成光强I=4I0cos,I0表示两反

r

射光的强度, =2 r表示自空气间隙上下表

面反射光的光程差, r=2t+2d+t是透镜底部

2与平板之间空气层的厚度,d=R-透镜的半径,r是干涉条纹的半径.

-r,R是

1 杨氏双缝干涉的光强公式

杨氏双缝干涉是一种通过分波面获取相干光的干涉现象.如图1所示,单色光入射到两个狭缝并通过两个狭缝在右边的屏幕上相遇,形成光的叠加. [7]