干涉的模拟＊——VirtualLab虚拟光学仿真软件辅助光学教学①

尚学府 吴 慧 王亚伟

（江苏大学理学院物理系 江苏 镇江 212013）

1 引言

在光学课程计算机辅助教学设计中，为了演示实验结果及光学系统在各种不同情况下，不同输入光场时的输出光场情况等，需要编制相应的模块软件.但由于编制这样的模块软件工作量大、难度较高，往住使任课教师放弃在计算机辅助教学设计中演示复杂的光学现象，即使有人花大量时间和精力编制出一些，也因为功能不强、效果不佳而影响教学展示.

然而将诸如VirtualLab等功能强大的商业光学设计软件引入光学课程计算机辅助教学设计中可以减小设计工作量［1，2］，并且使课件的深度得到加强，演示各种光学现象也很容易，从而扩大学生的感性认知和视野，增强教学效果［3，4］.

2 软件介绍

VirtualLab虚拟仿真实验系统是一款新一代的光学建模和设计软件系统［5～7］.该实验系统以麦克斯韦电磁场理论为基础，以电磁波界面传输思想为指导，运用有限元FEM（Finite Element Method）数值计算方法和计算机图像处理技术设计研发而成.该实验系统具有统一的光学建模平台，通过合适的光传输建模技术来实现光源、光学元件和探测器的灵活结合，保证了所有模式光源和通过光学元件任意传输方法的完全兼容性.建立了5大工具箱，适用于不同要求下的光学建模.

由于该系统运用光的电磁波描述概念和麦克斯韦电磁场理论，达到了对光的完整描述.在基于该软件的光学系统中，包括各个矢量方向的任何位置的振幅、相位和偏振等光场参数都可以通过探测器测得，能为光学系统设计提供极大的灵活性和准确性.

3 应用举例

VirtualLab可以用于光学课程的方面很多.干涉是波动光学中的一个十分重要的现象，也是教学的一个主要内容［8］.牛顿环干涉、双缝干涉、劈尖干涉是干涉内容中既经典又重要的实验，对其干涉结果的分析是非常重要的，也是教学中训练学生分析能力和掌握干涉内容的一种途径.光学仿真软件形象而准确地显示其干涉结果，动态地展示干涉实验条件变化时，对其干涉图像影响的变化，十分有利于提高教学效果.

3.1 杨氏双缝干涉实验

以杨氏双缝干涉实验为例，选取缝宽10nm，两缝间的距离d＝400μm，光屏离缝的距离l＝10 mm，光源选取波长为532nm的绿色光，最终得到光屏上的图像如图1（a）所示.

采用VirtualLab中数据采集和处理功能可以得到如图2，由图可以清楚地看出，每条亮纹的光强几乎相同，每两条亮纹间的距离约为13μm，根据公式

代入上面的数据可以求出亮纹的距离Δx＝13.3 μm，与仿真实验结果吻合.继续改变两缝的宽度，Δx不变.

可以发现仿真图像准确地表现了干涉条纹之间的关系，由此进行光干涉的直观、形象的干涉内容教学，同时还可以通过改变实验条件了解干涉条纹变化与实验条件变化之间的动态关系，以提高学生分析问题的能力.

图1

如图2分别为虚拟仿真的劈尖干涉、牛顿环干涉的实验结果.

图2

3.2 光的衍射和泊松亮斑

光的衍射现象是光的波动性的一个重要特征，也是光学教学内容中的一个重要授课内容.其中单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射等是光的衍射中既经典又重要的内容.

VirtualLab软件的Data View功能中有几种彩色观察方式以供选择，采用彩色方式可以清晰地看到亮度（振幅、相位等）的变化.图3（a）是单缝衍射模拟图像.图3（b）是单缝衍射强度分布图.

图3

由图4可以看到圆盘衍射在中心处有一个亮点，即泊松亮斑.在真实实验中很难找到泊松亮斑，利用虚拟仿真实验可以弥补这方面缺陷.

图4 圆盘衍射

图5为VirtualLab软件模拟仿真的小孔衍射图像和小孔衍射相位图.

图5

图6

如图6呈现了光栅衍射现象的仿真实验结果.从中可以直观、准确、清楚地观察到衍射侧面光束分布以及光栅衍射的幅值分布和缺级现象.

4 总结

本文通过几个VirtualLab软件设计实例，可以看出计算机仿真在光学教学及设计中具有非常重要的作用.将VirtualLab软件和光学基本原理教学有机地结合起来，扩展了学生的视野，把学习的内容放到一个更宽的专业背景和知识空间中能帮助学生建立直观的物理图像，更好地理解物理概念，提高了学生学习的积极性，并且有助于培养学生积极思考和动手创作的能力，增强了光学设计的经验和实践动手能力.在教学效率明显提高的同时，也能增强学生对理论的理解和提高学生的分析、解决问题的能力，为今后的进一步研究或工作打下基础.这种教学手段不仅可以使学生更直观地理解一些难懂的物理概念，为学生提供了一个培养创新意识和创新能力的平台.随着光学和计算机技术两者日趋发展和融合，计算机仿真技术必然会在光学教学过程中发挥更为有效的作用.

1 杨华军，刘静娴，黄轲琴，等.仿真在光学课程教学中的应用 .实验科学与技术，2007（3）：101～104

2 王亚伟，刘莹，卜敏.数字虚拟仿真技术在大学物理学光学教学中的应用.南通大学学报（教育科学版），2009（1）：83～85

3 甄艳坤，霍汉平.计算机仿真在光学课程教学中的应用.电气电子教学学报，2011，22（2）：88～90

4 单增郎杰.虚拟仿真技术在教学实验系统中的应用研究.计算机教学与教育信息化，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 钱淑珍，陈芳芳，倪小芳，吴平辉，基于 Matlab的光学干涉现象仿真.科技视界，2011（23）：23～24