干涉的模擬＊
——VirtualLab虛擬光學仿真軟件輔助光學教學①

尚學府 吳 慧 王亞偉

（江蘇大學理學院物理系 江蘇 鎮江 212013）

1 引言

在光學課程計算機輔助教學設計中，為了演示實驗結果及光學系統在各種不同情況下，不同輸入光場時的輸出光場情況等，需要編制相應的模塊軟件.但由于編制這樣的模塊軟件工作量大、難度較高，往住使任課教師放棄在計算機輔助教學設計中演示復雜的光學現象，即使有人花大量時間和精力編制出一些，也因為功能不強、效果不佳而影響教學展示.

然而將諸如VirtualLab等功能強大的商業光學設計軟件引入光學課程計算機輔助教學設計中可以減小設計工作量［1，2］，并且使課件的深度得到加強，演示各種光學現象也很容易，從而擴大學生的感性認知和視野，增強教學效果［3，4］.

2 軟件介紹

VirtualLab虛擬仿真實驗系統是一款新一代的光學建模和設計軟件系統［5～7］.該實驗系統以麥克斯韋電磁場理論為基礎，以電磁波界面傳輸思想為指導，運用有限元FEM（Finite Element Method）數值計算方法和計算機圖像處理技術設計研發而成.該實驗系統具有統一的光學建模平臺，通過合適的光傳輸建模技術來實現光源、光學元件和探測器的靈活結合，保證了所有模式光源和通過光學元件任意傳輸方法的完全兼容性.建立了5大工具箱，適用于不同要求下的光學建模.

由于該系統運用光的電磁波描述概念和麥克斯韋電磁場理論，達到了對光的完整描述.在基于該軟件的光學系統中，包括各個矢量方向的任何位置的振幅、相位和偏振等光場參數都可以通過探測器測得，能為光學系統設計提供極大的靈活性和準確性.

3 應用舉例

VirtualLab可以用于光學課程的方面很多.干涉是波動光學中的一個十分重要的現象，也是教學的一個主要內容［8］.牛頓環干涉、雙縫干涉、劈尖干涉是干涉內容中既經典又重要的實驗，對其干涉結果的分析是非常重要的，也是教學中訓練學生分析能力和掌握干涉內容的一種途徑.光學仿真軟件形象而準確地顯示其干涉結果，動態地展示干涉實驗條件變化時，對其干涉圖像影響的變化，十分有利于提高教學效果.

3.1 楊氏雙縫干涉實驗

以楊氏雙縫干涉實驗為例，選取縫寬10nm，兩縫間的距離d＝400μm，光屏離縫的距離l＝10 mm，光源選取波長為532nm的綠色光，最終得到光屏上的圖像如圖1（a）所示.

采用VirtualLab中數據采集和處理功能可以得到如圖2，由圖可以清楚地看出，每條亮紋的光強幾乎相同，每兩條亮紋間的距離約為13μm，根據公式

代入上面的數據可以求出亮紋的距離Δx＝13.3 μm，與仿真實驗結果吻合.繼續改變兩縫的寬度，Δx不變.

可以發現仿真圖像準確地表現了干涉條紋之間的關系，由此進行光干涉的直觀、形象的干涉內容教學，同時還可以通過改變實驗條件了解干涉條紋變化與實驗條件變化之間的動態關系，以提高學生分析問題的能力.

圖1

如圖2分別為虛擬仿真的劈尖干涉、牛頓環干涉的實驗結果.

圖2

3.2 光的衍射和泊松亮斑

光的衍射現象是光的波動性的一個重要特征，也是光學教學內容中的一個重要授課內容.其中單縫衍射、圓孔衍射、光柵衍射等是光的衍射中既經典又重要的內容.

VirtualLab軟件的Data View功能中有幾種彩色觀察方式以供選擇，采用彩色方式可以清晰地看到亮度（振幅、相位等）的變化.圖3（a）是單縫衍射模擬圖像.圖3（b）是單縫衍射強度分布圖.

圖3

由圖4可以看到圓盤衍射在中心處有一個亮點，即泊松亮斑.在真實實驗中很難找到泊松亮斑，利用虛擬仿真實驗可以彌補這方面缺陷.

圖4 圓盤衍射

圖5為VirtualLab軟件模擬仿真的小孔衍射圖像和小孔衍射相位圖.

圖5

圖6

如圖6呈現了光柵衍射現象的仿真實驗結果.從中可以直觀、準確、清楚地觀察到衍射側面光束分布以及光柵衍射的幅值分布和缺級現象.

4 總結

本文通過幾個VirtualLab軟件設計實例，可以看出計算機仿真在光學教學及設計中具有非常重要的作用.將VirtualLab軟件和光學基本原理教學有機地結合起來，擴展了學生的視野，把學習的內容放到一個更寬的專業背景和知識空間中能幫助學生建立直觀的物理圖像，更好地理解物理概念，提高了學生學習的積極性，并且有助于培養學生積極思考和動手創作的能力，增強了光學設計的經驗和實踐動手能力.在教學效率明顯提高的同時，也能增強學生對理論的理解和提高學生的分析、解決問題的能力，為今后的進一步研究或工作打下基礎.這種教學手段不僅可以使學生更直觀地理解一些難懂的物理概念，為學生提供了一個培養創新意識和創新能力的平臺.隨著光學和計算機技術兩者日趨發展和融合，計算機仿真技術必然會在光學教學過程中發揮更為有效的作用.

1 楊華軍，劉靜嫻，黃軻琴，等.仿真在光學課程教學中的應用 .實驗科學與技術，2007（3）：101～104

2 王亞偉，劉瑩，卜敏.數字虛擬仿真技術在大學物理學光學教學中的應用.南通大學學報（教育科學版），2009（1）：83～85

3 甄艷坤，霍漢平.計算機仿真在光學課程教學中的應用.電氣電子教學學報，2011，22（2）：88～90

4 單增郎杰.虛擬仿真技術在教學實驗系統中的應用研究.計算機教學與教育信息化，2010（5）：176～178

5 F.Wyrowski，J.Turuen，Local interface techniques in wave-optical engineering，in T.P Jannson（ed），Tribute to Emil Wdf，SPIE Press，379～400，2005

6 F.Wyrowski，Hagen Schimmel，Michael Kuhn，Electomagnetic optical engineering-modelling real light sources，Geman Photonic，2007.2

7 F.Wyrowski，Hagen Schimmel，Electromagnetic optical engineering-shaping light through design ， Geman Photonic ，2007.3

8 錢淑珍，陳芳芳，倪小芳，吳平輝，基于 Matlab的光學干涉現象仿真.科技視界，2011（23）：23～24