（杭州电子科技大学通信工程学院，浙江 杭州 310018）
摘要：根据我国物理光学教学内容和目标,针对因光学课堂教学理论性较强，通常需要光学实验教学辅助来提升教学效果的问题,提出了一种波动光学虚拟仿真演示方案。采用Matlab软件对波动光学基本内容中的光学干涉、衍射等方面进行了虚拟仿真技术的研究和实现,得到了波动光学教学内容中基本的光学现象、实验结果以及光波各物理量分布图的仿真结果,将抽象的理论教学内容具象化,实现了理论与实验演示相结合的课堂教学。
关键词：物理光学；教学；Matlab；仿真
随着光学技术在近现代突飞猛进的发展，物理光学所涉及的波动理论发挥了巨大作用，比如应用在全息技术、微电子光刻技术、光信息处理、相控阵雷达等众多高精尖应用领域。可见，波动光学无论理论还是应用都在物理学中占有重要地位，学习和掌握相关专业知识的重要性不言而喻[1]。然而，该教学内容的理论性很强，数学要求也比较高，因此学生往往会觉得枯燥乏味。通常需要开设相对应光学实验课程来加深学生的学习兴趣和理解程度。
由于光波波长是极短的，波动光学实验一般需要比较精密的仪器和细致的实验操作。实施实验需要特定的仪器，对实验场所环境要求也较高，给自学、教学和研究带来一些不便和较高的成本。此外，实验过程中微小参数的改变就可以引起干涉或衍射条纹显著的变化,不易观察和计算条纹之间的距离，实验精度极易受仪器和操作差异的影响，难以充分展示实验结果的一致性、重复性等特征。事实上，随着现代计算机技术的不断发展，通过 MATLAB 等软件编程对波动光学过程进行仿真，能方便地设置实验条件、过程与结果显示，可以使各种波动光学现象直观地表现出来。并可以通过调整实验参数,生成不同实验条件下的结果，便于对各类现象进行比较分析[2]。
一、光的衍射
事实上，光的衍射在生活中是无处不在的，是一种光传播过程中如有障碍物阻碍光的前进，那么光会发生一定程度的绕过阻碍继续传播的现象。以圆孔来举例说明，当光波通过孔径较大的圆孔时，圆孔的孔径远远大于光的波长，衍射现象极不明显，光沿直线传播，在屏上产生一个跟圆孔相当的亮斑；但当圆孔的尺寸调到很小，可以跟光波波长相比拟时，光通过圆孔后就明显偏离了直线传播方向，照射到屏上相当宽的地方，并且出现了明暗相间的衍射条纹。圆孔越小，衍射范围越大，衍射条纹越宽，但亮度越来越暗[3]。
小孔衍射实验是物理课程学习中一个很基础的光学实验，基于MATLAB的光波仿真程序提供多个模式的选择，GUI界面上可以设置所采用的光波波长、传输距离、圆孔孔径、查看相位屏序号、光场相位或光强的选择。如图1给出了圆孔衍射现象的过程，与理论计算情况保持一致。
图1波长为1550nm的光波通过孔径60um的圆孔并传输200m后的衍射光斑。
二、光的干涉
光的干涉现象是波动独有的特征，干涉主要应用在精密仪器校准上，例如一些精密的机床需要进行校准时，干涉仪就会派上很大用处。杨氏双缝实验是其中最为著名的干涉实验，其思想就是一束纯色光源通过两个非常小的狭缝后光发生了衍射现象，发生衍射现象之后在接收屏上的显示就是相同频率的光波叠加，使接收屏上会产生一系列明暗相间的条纹[4]。下图2就是杨氏双缝干涉实验的虚拟仿真过程，GUI界面上可以设置所采用的光波波长、传输距离、圆孔孔径、查看相位屏序号、光场相位或光强的选择。
图2波长为1550nm的光波通过间距为2mm和长度为2mm双缝后并传输200m后的干涉条纹。
综上可见,光波传输仿真程序是借助MATLAB 编程进行计算机上实现光波传输过程的仿真。这种虚拟仿真实验的可操作性和可观察性强，不受实验仪器和实验场所的限制,可以得到不同实验条件下的衍射、干涉图样及其强度分布曲线,同时能够定性和定量地分析各种参数对实验结果的影响,结果简洁直观,为理论分析和实验教学提供了新的有效的辅助手段。利用MATLAB GUI模拟波动光学交互界面，且可在界面方便地输入参数观察实验现象的动态变化过程。这不仅能让学生更容易理解和掌握光学规律，能很好地调动学生对光波传输理论知识的学习兴趣，以相应的Matlab编程语言为基础，结合相应的仿真模型，将抽象的理论计算转换为可视化的数值仿真，理论与实践相互验证，提高教学质量，学生可以参与自主设计实验，培养学生创新和实践能力。
参考文献
[1] 郁道银, 谈恒英. 工程光学[M]. 北京：机械工业出版社,2006.2
[2] 施继红,杨晶晶.MATLAB/GUI仿真在波动光学演示实验中的应用[J].信息系统工程,2013, (11):85-87.
[3] 崔祥霞,杨兆华,陈君.基于MATLAB的光学衍射与干涉实验仿真[J].泰山学院学报,2009,31(03):109-113.
[4] 谭毅.杨氏双缝干涉实验的仿真研究[J].实验技术与管理,2012,29(03):91-93.
论文作者:杨国伟 尤圣最 毕美华 周雪芳
论文发表刊物:《知识-力量》2中
论文发表时间:2018/9/18