光源的相干性分析與應(yīng)用-工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)

工程光學(xué)課程設(shè)計(jì)（論文）題目數(shù)字化分析光的相干性 學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 光源的相干性分析與應(yīng)用摘要：光的相干性是光學(xué)中的重要概念之一。相干效應(yīng)可分為空間相干性和時(shí)間相干性，前者與光源的幾何尺寸有關(guān)，后者則與光源的相干長(zhǎng)度或單色性（帶寬）有關(guān)。邁克耳遜干涉儀為測(cè)量時(shí)間相干性提供了一種方便的技術(shù)；空間相干性則由楊氏雙逢實(shí)驗(yàn)作出了最好的證明。實(shí)際上許多光源都不是理想的點(diǎn)光源，而是有一定的幾何尺寸的擴(kuò)展光源，產(chǎn)生的光不可能是單色的。一般來(lái)說(shuō)，我們可以這樣認(rèn)為，對(duì)普通光源（擴(kuò)展光源）的相干性分析，同時(shí)也適用于點(diǎn)光源，最深層的精髓沒(méi)有發(fā)生變化。本文介紹了用MATLAB仿真楊氏雙縫干涉的實(shí)驗(yàn)，來(lái)數(shù)字化處理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，以減少客觀(guān)的誤差對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)的影響，方便同學(xué)們能夠更好地了解。同時(shí)也著重介紹了邁克爾遜干涉儀工作的基本原理，時(shí)間相干性的基本概念以及用不同光源為例，簡(jiǎn)單的說(shuō)明光源的時(shí)間相干性的問(wèn)題。根據(jù)光源的一些特性，還有一些具體的應(yīng)用，激光具有單色性，相干性等一系列極好的特性。比如激光的應(yīng)用。激光在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，將會(huì)有更大的發(fā)展前景。關(guān)鍵字：時(shí)間相干性；MATLAB；空間相干性；邁克耳孫干涉儀；激光目錄引言1理論基礎(chǔ)12.1相干時(shí)間和相干長(zhǎng)度12.2空間相干性22.3時(shí)間相干性32.4相干性的描述42.4邁克爾遜干涉儀的工作原理4光源的相干性分析和應(yīng)用53.1楊氏雙縫干涉與空間相干性53.2邁克耳孫干涉儀與時(shí)間相干性83.2.1干涉條紋的可見(jiàn)度83.2.2不同的光說(shuō)明時(shí)間相干性93.3應(yīng)用10全文總結(jié)114.1主要結(jié)論114.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)12仿真代碼12參考文獻(xiàn)13。白光的等厚干涉條紋變化只有一次左右，除K≈1以外的干涉條紋，雖然人眼能看到各種顏色，但是它們的強(qiáng)度是相同的，因此在全色底片上就不會(huì)記錄有更多級(jí)次的干涉條紋。3.3應(yīng)用對(duì)于空間相干性和時(shí)間相干性的綜合的應(yīng)用，可能比較集中于光的干涉。光的干涉的產(chǎn)生條件，只有兩列光波的頻率相同，相位差恒定，振動(dòng)方向一致的相干光源，才能產(chǎn)生光的干涉[11]。換句話(huà)說(shuō)，即就是只有相干光才能夠產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，所以由兩個(gè)普通獨(dú)立光源發(fā)出的光，不可能具有相同的頻率，更不可能存在固定的相差，因此，不能產(chǎn)生干涉。干涉的一些經(jīng)典的應(yīng)用，測(cè)距，測(cè)光譜，成像，產(chǎn)生超短脈沖，測(cè)波長(zhǎng)，測(cè)厚度，測(cè)折射率，產(chǎn)生光孤子，測(cè)色散等。目前常用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度的干涉儀，主要是以邁克爾遜干涉儀為主，并以穩(wěn)頻氦氖激光為光源，構(gòu)成一個(gè)具有干涉作用的測(cè)量系統(tǒng)。激光干涉儀可配合各種折射鏡、反射鏡等來(lái)作線(xiàn)性位置、速度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等測(cè)量工作，并可作為精密工具機(jī)或測(cè)量?jī)x器的校正工作[12]。

現(xiàn)代工業(yè)需要滿(mǎn)足日益嚴(yán)格的公差以及國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求，因此生產(chǎn)設(shè)備的工作性能受到前所未有的重視。為滿(mǎn)足這一需求，研究人員利用激光的干涉原理推出了可以評(píng)估、監(jiān)控并改善機(jī)器性能的兩激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，從而提高了生產(chǎn)力，縮短了停機(jī)時(shí)間，并使廢品率降至最低。根據(jù)對(duì)光源相干性的一些了解，由于激光具有很好的單色性、相干性、方向性和高能量密度，它已滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，形成了新的學(xué)科。例如：激光信息存儲(chǔ)與處理、激光材料加工、激光醫(yī)學(xué)及生物學(xué)、激光通訊、激光印刷、激光光譜學(xué)、激光化學(xué)、激光分離同位素、激光核聚變、激光檢測(cè)與計(jì)量及軍用激光技術(shù)等，極地促進(jìn)了這些領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步和前所未有的發(fā)展。第四章全文總結(jié)4.1主要結(jié)論在本學(xué)期的工程光學(xué)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)中，我接觸到了邁克耳孫干涉儀和楊氏雙縫干涉。同時(shí)在教師授課的過(guò)程中，對(duì)于光源的相干性有了一定的了解，時(shí)間相干性和空間相干性。結(jié)合課本上有限知識(shí)，對(duì)于已知且普通得兩種實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行了一些分析，利用楊氏雙縫干涉裝置，討論了光源的線(xiàn)度對(duì)光場(chǎng)空間相干性的影響。對(duì)于時(shí)間的相干性，從以上對(duì)不同光源相干長(zhǎng)度的討論，可以看出，對(duì)于不同光源，它們的相干長(zhǎng)度是不同的，它們的干涉條紋的可見(jiàn)度變化也是不同的，而利用邁克爾遜干涉儀恰恰可以典型的證明光源的時(shí)間相干性問(wèn)題。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象的分析，進(jìn)一步了解了譜線(xiàn)寬度與最大光程差之間的關(guān)系，對(duì)于我們理解時(shí)間相干性有很大的幫助。一切給予理論上的猜想結(jié)合實(shí)際的驗(yàn)證，才會(huì)更有說(shuō)服力。從字面上理解時(shí)間相干性確實(shí)有那么一點(diǎn)的難度。通過(guò)此次課程設(shè)計(jì)，我不僅僅學(xué)到了專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)，看到了光學(xué)領(lǐng)域更廣闊的發(fā)展空間，還學(xué)會(huì)了對(duì)學(xué)術(shù)研究的精神。要用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度對(duì)待科學(xué)，刻苦鉆研基礎(chǔ)知識(shí)，多了解多閱讀課外知識(shí)，開(kāi)闊眼界，多儲(chǔ)備與自己專(zhuān)業(yè)相關(guān)的知識(shí)，充實(shí)自己。4.2主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)創(chuàng)新的基礎(chǔ)就是把握現(xiàn)有的理論知識(shí)，在吸收理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行一些自我的改革。創(chuàng)新的目的是讓理論在更復(fù)雜的實(shí)際情況中得到運(yùn)用和普及。對(duì)于光源的相干性分析的話(huà)。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，一般普通實(shí)驗(yàn)都是在現(xiàn)有的光學(xué)儀器上完成，但是誤差可能會(huì)在很大程度上影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。為了減少客觀(guān)誤差對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，筆者可以通過(guò)對(duì)光源空間相干性和楊氏雙縫干涉的原理的了解，通過(guò)MATLAB軟件來(lái)模擬出相同條件下，由電腦軟件給出的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這樣做的話(huà)基本上可以避免因?yàn)榄h(huán)境問(wèn)題和人眼觀(guān)察的誤差等其他客觀(guān)條件對(duì)于實(shí)驗(yàn)的影響，當(dāng)然前提是要程序編寫(xiě)正確。上文對(duì)于模擬出來(lái)的一些圖像進(jìn)行了一些客觀(guān)的分析，同時(shí)也是跟理論推導(dǎo)是相互結(jié)合的，來(lái)證明軟件的可靠性。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)上，調(diào)整參數(shù)的時(shí)候，可能會(huì)導(dǎo)致許多其它問(wèn)題，尤其是在觀(guān)察干涉條紋的時(shí)候，儀器臺(tái)稍微的晃動(dòng)，就可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。軟件模擬和光學(xué)儀器的創(chuàng)造性的結(jié)合，一方面節(jié)省時(shí)間和精力，另方面還可以減少誤差給我們帶來(lái)的困擾。在對(duì)時(shí)間相干性的分析中，邁克耳孫干涉儀是必要的。通過(guò)改變光源的屬性和一些實(shí)驗(yàn)儀器的些許變化，可以得出一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。白光和鈉光的兩種例子應(yīng)該可以避免由于單一實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)論的影響，增大該結(jié)論的可信性。在白屏上，兩種情況下的干涉條紋也是很不同的，這些差異在一些方面可以看出譜線(xiàn)長(zhǎng)度跟時(shí)間相干性的一些影響。干涉條紋的種種不同，以及不同類(lèi)型光源給了我們很好地理由來(lái)進(jìn)行細(xì)致的分析。附仿真代碼：clearlam=300e-9;%設(shè)定波長(zhǎng)，以lam表示波長(zhǎng)d=2e-3;D=1;%d表示縫寬，D表示縫到屏幕的距離ym=5*lam*D/d;%設(shè)定y方向的范圍xs=ym;%設(shè)定x方向的范圍n=101;ys=linspace(-ym,ym,n);fori=1:nr1=sqrt((ys(i)-d/2).^2+D^2);r2=sqrt((ys(i)+d/2).^2+D^2);%利用楊氏干涉理論的公式，計(jì)算屏幕上的每一點(diǎn)到雙縫的距離r1和r2phi=2*pi*(r2-r1)./lam;%計(jì)算各波長(zhǎng)的相位差B(i,:)=sum(4*cos(phi/2).^2*(sin(pi*b/lam*sin(ys(i)./D))/(pi*b./lam*sin(ys(i)./D))).^2);end%結(jié)束循環(huán)N=255;%確定用的灰度等級(jí)為255級(jí)Br=(B/4.0)*N;%使最大光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于最大灰度級(jí)subplot(1,2,1)image(xs,ys,Br);%畫(huà)干涉條紋colormap(gray(N));subplot(1,2,2)plot(B,ys);%畫(huà)出光強(qiáng)變化曲線(xiàn)參考文獻(xiàn)[1]謝敬輝，趙達(dá)尊，閻吉祥．物理光學(xué)教程[M]．北京：北京理工大學(xué)出版社，2005[2]姚啟均.光學(xué)教程(第2版)[M].北京:高等教育出版社，2002[3]馬文蔚，解希順，談漱梅，等．物理學(xué)[M]．北京：高等教育出版社，2002[4]孫柏忠．物理光學(xué)[M]．武漢：華中理工大學(xué)出版社，1989[5]郁道銀，談恒英．工程光學(xué)[M]．第1版．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003[6]楊述武等.普通物理實(shí)驗(yàn)3光學(xué)部分（第四版）.高等教育出版社，1983[7]祝家清.自由電子激光引論[M].武漢:湖北教育出版社，1994[8]吳錫瓏.大學(xué)物理教程第三冊(cè)（第二版）[M].北京：高等教育出版社，2002.§20-5邁克爾遜干涉儀，時(shí)間相干性.[9]符運(yùn)良，MATLAB在光學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].華南熱帶農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004[10]尤金·赫克特.