基于LabVIEW的多光學(xué)現(xiàn)象動(dòng)態(tài)仿真

陳彪+吳春法

摘要：利用軟件動(dòng)態(tài)仿真光學(xué)現(xiàn)象，可使復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)直觀、形象，而且軟件的使用不受環(huán)境的影響和實(shí)驗(yàn)儀器的限制，可應(yīng)用于理論教學(xué)或者實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程，使學(xué)生對光學(xué)理論的更加容易理解。因此，文章基于LabVIEW軟件動(dòng)態(tài)仿真了楊氏雙縫干涉和夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：LabVIEW；動(dòng)態(tài)仿真；光學(xué)現(xiàn)象

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）29-0265-02

Abstract： By using software dynamic simulation of optical phenomenon， making the complex experiment vivid， the simulation of experiment by using software， which is not subject to environmental constrains， can be used for theoretical teaching and experimental teaching， facilitating student's understanding of the optical theory. Therefore， in this paper dynamic simulation of the experiment of Yang's double slit interference and Fraunhofer aperture diffraction Based on LabVIEW software.

Key words： LabVIEW； dynamic simulation； optical phenomenon

1 概述

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多應(yīng)用于光學(xué)仿真的軟件，例如：Zemax、Matlab、Tracepro等軟件[1]。利用軟件來仿真光學(xué)現(xiàn)象，可以很好彌補(bǔ)在光學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對環(huán)境要求高、現(xiàn)象不易觀察等不足[2]。

目前，利用Matlab進(jìn)行光學(xué)現(xiàn)象仿真研究，已經(jīng)很普遍[3-6]，但大多數(shù)只是實(shí)現(xiàn)對光學(xué)現(xiàn)象的可視化，無法做到動(dòng)態(tài)仿真的效果，并且Matlab軟件要求使用者具備一定編程能力。因此，本文利用LabVIEW圖形化編程語言的優(yōu)點(diǎn)[7-8]，輕松地實(shí)現(xiàn)對楊氏雙縫干涉和夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)仿真。

2 楊氏雙縫干涉

2.1 主面板設(shè)計(jì)

圖1是楊氏雙縫干涉仿真的主面板。面板的左半部分的輸入控件有：入射單色光波長調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在390～750 nm；狹縫寬度（縫寬）調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在0.05～1 cm；狹縫距離光屏距離（屏距）調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在0.5～2 m。面板中間有一個(gè)停止按鈕，用于結(jié)束程序運(yùn)行。面板的右半部分由楊氏雙縫干涉條紋顯示屏和強(qiáng)度分布曲線顯示屏，用于顯示楊氏雙縫仿真結(jié)果。

2.2 縫寬對楊氏雙縫干涉條紋影響分析

影響楊氏雙縫干涉條紋的因素有：入射光波長、縫寬和屏距。我們保持入射光波長為550 nm，屏距1 m不變，只改變縫寬度來研究楊氏雙縫干涉條紋，結(jié)果如圖2，圖3所示。

從兩幅圖像比較結(jié)果可以直觀看出，干涉條紋寬度與縫寬成反比，這與事實(shí)相符合。我們也可以用同樣的方法研究入射光波長和屏距對干涉條紋的影響，得到的結(jié)果也與事實(shí)相符。

3 夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射

3.1 主面板設(shè)計(jì)

圖4是夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射圖樣仿真的主面板。面板的左半部分的輸入控件有：入射單色光波長調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在390～750 nm；矩孔寬度調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在0.5～2 mm；矩孔長度調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在0.5～2 mm；透鏡焦距調(diào)節(jié)按鈕，調(diào)節(jié)范圍在0.5～2 m。面板中間有一個(gè)停止按鈕，用于結(jié)束程序運(yùn)行。面板的右半部分是夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射圖樣顯示屏，用于顯示衍射仿真結(jié)果。

3.2 矩孔對夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射圖樣影響分析

影響夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射圖樣的因素有：入射光波長、矩孔寬度、矩孔長度和透鏡焦距。我們保持入射光波長為550 nm，透鏡焦距0.5 m不變，只改變矩孔寬度和長度來研究楊氏雙縫干涉條紋，結(jié)果如圖5，圖6，圖7所示。

從三幅圖像對比結(jié)果可以直觀看出，夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射圖樣的衍射亮斑集中分布在兩個(gè)互相垂直的方向上，沿著矩孔寬度方向的亮斑寬度與矩孔寬度成反比，沿著矩孔長度方向的亮斑寬度與矩孔長度成反比，即光在哪個(gè)方向上受到限制越大，哪個(gè)方向的衍射就越明顯，這與事實(shí)相符合。我們也可以用同樣的方法研究入射光波長和透鏡焦距對夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射圖樣的影響，得到的結(jié)果也與事實(shí)相符。

4 結(jié)論

通過上述的研究表明，利用LabVIEW對光學(xué)現(xiàn)象動(dòng)態(tài)仿真，其優(yōu)點(diǎn)有：（1）LabVIEW可對光學(xué)現(xiàn)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)仿真顯示，仿真效果真實(shí)。（2）彌補(bǔ)通過實(shí)驗(yàn)儀器研究光學(xué)現(xiàn)象，對實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求苛刻和現(xiàn)象不易觀察等不足。（3）相比于Matlab文本編程實(shí)現(xiàn)光學(xué)仿真，LabVIEW圖形化編程難懂大大降低。因此，本文研究為復(fù)雜的光學(xué)理論和實(shí)踐教學(xué)提供了一種很好的解決思路。

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