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光学方面的仿真.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.57M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    Abstract
    1 绪论
    1.1 波动光学的历史及研究对象
    1.2 光学实验仿真
    1.3 MATLAB仿真的特点
    1.4 设计思路
    2 光的干涉实验仿真
    2.1 光波的叠加原理
    2.2 光学拍的实验仿真
    2.3 球面波干涉实验仿真
    2.3.1 点光源为单色光
    2.3.2 点光源为复色光
    2.4 杨氏干涉的实验仿真
    2.4.1 单色光杨氏双缝干涉实验仿真
    2.4.2 复色光杨氏双缝干涉实验仿真
    2.5 等倾和等厚干涉实验仿真
    2.5.1 等倾干涉实验仿真
    2.5.2 等厚干涉实验仿真
    2.6 本章小结
    3 光的衍射实验仿真
    3.1 光的衍射现象及其分类
    3.2 夫琅和费衍射及其仿真实现
    3.2.1 矩孔夫琅和费衍射仿真实现
    3.2.2 其它类型夫琅和费衍射仿真实现
    3.3 菲涅耳衍射及其仿真实现
    3.3.1 矩孔菲涅耳衍射仿真实现
    3.3.2 其它类型菲涅耳衍射仿真实现
    3.4 光栅衍射及其仿真实现
    3.5 本章小结
    4 仿真系统图形用户界面设计
    4.1 波动光学主界面的仿真
    4.2 仿真模拟
    4.2.1 光学拍仿真模拟
    4.2.2 球面波干涉仿真模拟
    4.2.3 杨氏干涉仿真模拟
    4.2.4 等倾和等厚干涉
    4.2.5 夫琅和费衍射仿真模拟
    4.2.6 菲涅耳衍射仿真模拟
    4.2.7 光栅衍射
    4.3 本章小结
    5 结束语
    参考文献
    附 录
    致 谢
    武汉理工大学毕业设计（论文） 武汉理工大学 毕业设计（论文） 基于 MATLAB 的波动光学实验 仿真系统的构建 学院（系）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师：
    武汉理工大学毕业设计（论文） 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或 撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密囗，在 年解密后适用本授权书 2、不保密囗 。 （请在以上相应方框内打“√”） 作者签名： 年 月 日 导师签名： 年 月 日 2
    武汉理工大学毕业设计（论文） 武汉理工大学 本科生毕业设计（论文）任务书 学生姓名 指导教师 专业班级 工作单位 武汉理工大学理学院物理系 设计(论文)题目: 基于 MATLAB 的波动光学实验仿真系统的构建 设计（论文）主要内容： 在 MATLAB 环境下，编写程序，实现几个波动光学实验项目的计算机仿真，包括光 学拍实验、球面波干涉实验、杨氏干涉实验、等倾等厚干涉实验、夫琅和费衍射实验、费 涅尔衍射实验和光栅衍射实验；编制仿真程序的图形用户界面，实现各个实验项目中相关 参数的直接设置及结果显示，实现人机交互；创建独立的仿真应用程序。 要求完成的主要任务: 1、查阅不少于 15 篇的相关资料，其中英文文献不少于 3 篇，完成开题报告。 2、熟悉 MATLAB 的相关操作，学习 MATLAB 语言。 3、编写出仿真程序代码，制作 GUI 界面。 4、完成不少于 5000 字的英文文献翻译。 5、完成 12000 字的毕业设计论文。 必读参考资料： [1] 谢敬辉，赵达尊，阎吉祥．物理光学教程[M]．北京：北京理工大学出版社，2005． [2] 王正林，刘明．精通 MATBAL7[M]．北京：电子工业出版社，2007． [3] 张平等．MATLAB 基础与应用[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2005． 指导教师签名 院长签名（章） 系主任签名 3
    武汉理工大学毕业设计（论文） 武汉理工大学 本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 设计的目的： 波动光学是在电磁波动理论基础上研究光的波动现象的一门学科。波动光学 实验主要包括干涉实验与衍射实验两大类。研究光的干涉和衍射现象时对光学实 验仪器应有微米量级的精度，而这种实验条件的苛刻性将使得光学实验受到众多 因素的影响（如温度、气压、湿度等），也使得光学仪器成为了一种相当贵重的 精密仪器。为了避免试验过程中对光学仪器的损坏以及提高实验的精度，可以利 用计算机对光学实验进行模拟，得出的试验数据可用于指导实验或对光学仪器的 性能进行评价。此次设计的目的就是利用波动光学理论对光的干涉与衍射实验进 行模拟，并建立基于MATLAB的应用程序进行波动光学实验的仿真。 设计的意义： 利用计算机对波动光学相关实验的数值仿真的意义主要有两方面：基础光学 教学以及光学仪器的设计和评价。在基础光学教学过程中，由于光学概念过于抽 象以及大部分公式都不能用数学方法得到解析解，学生容易在学习过程中感到厌 倦和疲惫。光学实验一般需要稳定的环境，高精密的仪器，因此在教室里能做的 光学实验极为有限，而又由于课时的限制使得演示实验不能在课堂中进行，因此 只能借助于一些已知光学实验图样来对其进行说明。 为了克服光学实验对实验要求比较苛刻的缺点，可采用计算机仿真光学实 验，特别是光学演示实验，配合理论课的进行，把光学课程涉及的光学现象展示 在学生面前，以加深对光学内容的理解。通过建立光学的仿真平台，使那些过于 抽象光学概念和不能用数学方法得到解析解复杂公式变得清晰简单；由于图形用 户界面的应用，提高到了学习的可视性和可操作性，使学生可以自行灵活地修改 光学类型和相关的参数，实现人机交互，使学习过程变得轻松自由,且能让学生 对艰深难懂的光学概念和公式有一个更深的理解。在教学方面，它打破了课时的
    武汉理工大学毕业设计（论文） 限制和光学实验条件的苛刻性，使得光学演示实验能在课堂中轻松进行，大大提 高了教学效果，使教学变得更加主动和开放。 对光学现象的计算机仿真也应用于光学器件的设计和调试过程中。鉴于光 学实验原理的复杂性，应用计算机进行光强分布的计算可快速获得设计光学元件 的性能，并在制作和调试的过程中用以比较以达到预想的性能指标。 2、基本内容和技术方案 本实验应用 MATLAB 实现波动光学实验计算机仿真的目标是：要求能够实 现光波干涉实验和衍射实验的计算机仿真，能够实现计算机与用户之间的交流， 根据用户输入的仿真参数计算出干涉实验和衍射实验的图样并显示出与实验基 本相符的图样和相应的计算结果。为实现这一设计任务，首先要对波动光学各个 理论和 MATLAB 软件有较为深入的了解，然后以此建立模型，设计算法，编写 程序，设计界面，达到预期目标。 1）查阅相关文献，熟悉光学实验仿真的发展现状和优点； 2）对干涉原理进行分析，并分别讨论几种干涉实验仿真的实现； 3）对衍射原理进行分析，并分别讨论几种衍射实验仿真的实现； 4）图形用户界面的设计。利用图形用户界面，可以很方便的进入各种不同 光学实验仿真界面并实现其仿真； 2
    武汉理工大学毕业设计（论文） 3、进度安排 第1-2周：查阅相关文献资料，明确毕业设计内容。 第3周：确定设计方案，完成开题报告。 第4-5周：复习波动光学理论知识。 第6-7周：学习MATLAB语言的应用。 第8-9周：毕业实习。 第10-12周：设计仿真程序并完成调试。 第13周：设计波动光学仿真界面。 第14-16周：撰写并不断修改论文。 第17周：准备论文答辩。 4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 3
    武汉理工大学毕业设计（论文） 目 录 摘 要............................................................................................................................................. I Abstract...........................................................................................................................................II 1 绪论.............................................................................................................................................1 1.1 波动光学的历史及研究对象..................................................................................................1 1.2 光学实验仿真..........................................................................................................................2 1.3 MATLAB 仿真的特点............................................................................................................ 3 1.4 设计思路..................................................................................................................................4 2 光的干涉实验仿真.....................................................................................................................5 2.1 光波的叠加原理......................................................................................................................5 2.2 光学拍的实验仿真..................................................................................................................7 2.3 球面波干涉实验仿真..............................................................................................................9 2.4 杨氏干涉的实验仿真............................................................................................................15 2.5 等倾和等厚干涉实验仿真....................................................................................................19 2.6 本章小结................................................................................................................................24 3 光的衍射实验仿真...................................................................................................................25 3.1 光的衍射现象及其分类........................................................................................................25 3.2 夫琅和费衍射及其仿真实现................................................................................................26 3.3 菲涅耳衍射及其仿真实现....................................................................................................31 3.4 光栅衍射及其仿真实现........................................................................................................35 3.5 本章小结................................................................................................................................37 4 仿真系统图形用户界面设计...................................................................................................38 4.1 波动光学主界面的仿真........................................................................................................38 4.2 仿真模拟................................................................................................................................41 4.3 本章小结................................................................................................................................53 5 结束语.......................................................................................................................................54 参考文献.......................................................................................................................................55 录.......................................................................................................................................56 附 谢.......................................................................................................................................71 致
    武汉理工大学毕业设计（论文） 摘 要 本文利用 MATLAB 强大的矩阵运算功能和图形绘制功能，在波动光学相关理论的基 础上，通过编程实现了几种常见的干涉和衍射现象的仿真，将其结果形象、直观地体现出 来，对于波动光学的教学和学习具有很好的帮助作用。 论文在干涉和衍射理论的基础上，编写了 MATLAB 程序代码，实现了光学拍，球面 波干涉，杨氏干涉、等倾和等厚干涉、夫琅和费衍射，菲涅耳衍射和光栅衍射模拟仿真； 此外，为方便用户使用，本文设计了对应的图形用户界面 （包括设计方案、界面控件的 布置和控件后台程序代码的添加），实现了仿真过程中的人机交互。 研究结果表明：通过仿真程序的运行，能形象、直观地展现几种干涉和衍射现象；通 过图像用户界面的编制，实现了仿真实验项目的选取，实验参数的灵活设置以及结果的显 示。 本文的特色在于：将干涉和衍射的仿真实验做成一个完整系统，并设计了个性化的图 形用户界面。通过仿真实验的图形户用界面，用户实现实验项目的选取，实验参数的灵活 设置，实验结果的对比分析。 关键词：MATLAB；波动光学；计算机仿真；图形用户界面 I
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