Matlab在光学实验仿真中的应用：光波传输与干涉、衍射详解

本文详细介绍了光波的线性传输在光学领域的应用，特别是通过Matlab这个强大的工具进行光学实验的仿真。首先，从理论上概述了光波在线性介质中的传播遵循的亥姆霍兹方程，以及在傍轴近似下的惠更斯-菲涅耳衍射积分，这是理解和模拟光波传播的基础。 在数值求解方面，文章提到了两种关键的算法：远场算法和近场算法。远场算法利用傅里叶变换，将复杂的衍射积分简化为对输入函数进行傅里叶变换并乘以二次位相因子，通过快速傅里叶变换技术实现高效计算。近场算法则通过脉冲响应函数的定义，将衍射积分转换为卷积运算，利用傅里叶变换的卷积定理进一步简化处理。 作者曲伟娟在西北工业大学的硕士论文中，详细展示了Matlab在光学实验仿真中的实际应用。她探讨了光的干涉实验，包括球面波干涉和多光束干涉，以及利用传播矩阵模拟杨氏双缝和双孔干涉实验。研究涉及单缝衍射对双缝干涉的影响，以及光场时间相干性对干涉条纹的影响。 在光的衍射实验仿真部分，作者分析了不同形状孔径（如单缝、矩孔、圆孔等）的菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射图样的强度分布，这对于理解这两种衍射现象及其差异具有重要意义。此外，光学像差的仿真也进行了深入探讨，通过相位转化理论模拟了赛德尔像差和泽尼克多项式等，以及像差对干涉图样影响的模拟分析。 光学V系统仿真部分，作者讨论了光学系统如何处理光学信息，提出了相应的算法，并通过Matlab和Matcom 4.5实现网格滤波、图像相加减等实验操作。为了使软件能够在没有Matlab环境的情况下运行，还设计了将Matlab M文件转化为C++代码并编译为可执行文件的过程。 这篇论文展示了Matlab在光学实验仿真中的强大功能，不仅有助于科学研究，也极大地促进了光学教学的实践性和效率。关键词包括光学实验仿真、干涉、衍射、像差、傅里叶变换、Matlab、Matcom 4.5以及Visual C++等技术，这些都是进行光学仿真不可或缺的工具和技术手段。