基于matlab的光学衍射仿真.doc

西安工业大学
毕业设计(论文)开题报告
题目: 基于Matlab的光学衍射实验仿真
系别光电信息系
专业光电信息工程
班级 XXX
姓名王XX
学号 X070104XX
导师 XX
2010 年 11 月 27 日
课题背景及研究意义
衍射是光波的一种重要特征,对光波衍射现象的讨论是以惠更斯- 菲涅尔原理为基础的。事实证明,在大多数光学问题中,可以采用光场的标量衍射理论来描述和计算。光场的频率非常高,只能测量在一个比光的周期大得多的时间间隔内的平均值,在计算衍射光波场的光振动和光强分布时则利用菲涅尔- 基尔霍夫衍射积分公式[1,2,3]
。在物理光学的光的衍射教学过程中,光学实验内容比较抽象, 如不借助实验, 学生很难理解理论、实验原理和过程。通常,学校的教学中,将光学理论教学与实验教学相分离,理论教学中需要实验现象来验证,而光学实验的进行一般要稳定的环境、高精密的仪器, 复杂的实验仪器以及光路的调试, 花费了技术人员相当多的时间,往往很难调试到理想的状态,搭建好的仪器和光路也会受到环境和温度的影响,有时实验结果将偏离理论预测。
为了在物理光学课程教学过程形象生动,需要现代化的教学手段,千方百计地为学生提供观察物理现象的机会,提高学生学****光学课程的兴趣,培养他们的思维水平和创新能力,应该充分利用计算机软件功能为教学增添活力,为学生理解复杂理论和实验做好铺垫,可以用MATLAB软件为平台,对光学实验进行计算机仿真,具有两个方面意义:一方面,利用仿真结果指导实际实验。前期投资少,且可以减少贵重仪器的损伤等;另一方面,在教学上,将抽象难懂的概念、规律通过实验仿真生动、形象地表现出来,使学生更易于接受,具有明显的教学效果。还可以鼓励学生自主探索,研究一些更深入的光学问题,这样可以拓宽知识面,提高能力[4,5,6]
。
国内外研究情况
在用计算机模拟[7]
光学实验软件方面,国外的光学衍射模拟试验是在模拟设计和优化光学系统的过程中发展起来的。在这方面,美国走在最前面,他们最具代表性的是劳伦斯利弗莫尔实验室光传输模拟计算软件Prop92[8,9]
及大型总体优化设计软件CHAINOP和PROPSUITE[10]
。其中软件Prop92就是采用Fortran语言编写,最大采样点数为512*512。这些软件在大型激光器NOVA的设计制造中发挥了重要作用。另外法国也开发完成其有自身特点的光传输软件Miro[11]
,该软件采用C++编写,可以运行于多个平台。[12]
。该软件是一套成熟的商业化光传输软件,在处理光传输的数值模拟算法上有独到之处,主要体现在其快速傅里叶变换的计算效率很高;软件采用特殊方法能够处理小于计算分辨率的灰尘点的衍射过程以及截止频率小于计算网格分辨最小频率的滤波过程等。另外,该软件图形界面友好,稳定可靠。我国用于科学研究的光传输软件开发虽然较晚,但也取得了很大的成绩。特别是1999年,神光
—III原型装置TIL分系统集成试验的启动为高功率固体激光驱动器的计算机模拟的研究创造了条件。目前已基本完成SG99光传输模拟计算软件[13]
的开发,推出的标准版本基本能稳定运行,对SG99主要计算模块的验证结果表明SG99对能流放大、线性传输、非线性传输的计算是合理可靠的,其中线性传输的计算模块的计算精度与国外同类软件Fresnel相当;目前该软件已经用于神光-III主机可行性论证的工作中。现在我们比较多的利用美国MathWorks公司推出的MATLAB[14,15,16]
软件来实现上面的工作。MATLAB是国际公认的优秀数学应用软件,它是用于数值计算和图形处理的应用软件,它包括了数值计算、矩阵运算、信号处理、图形显示、可视化建模仿真和实时控制等功能,并且有大量的函数库可供使用[17]
。MATLAB的基本单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似。故用MATLAB来解决问题比用C、FORTRAN等语言简洁的多。
本课题研究的主要内容和拟采用的研究方案、研究方法或措施
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, 按照衍射屏狭缝的形状可分为单缝、圆孔和多缝等衍射.
Matlab是由美国Mathworks公司推出的数值分析中很强的