基于LabVIEW的干涉虛擬實驗研究

翟龍華

（池州學院，安徽 池州 247000）

基于LabVIEW的干涉虛擬實驗研究

翟龍華

（池州學院，安徽 池州 247000）

根據(jù)光的雙縫干涉實驗理論，利用LabVIEW編寫程序對雙縫干涉實驗進行模擬，描述了雙縫干涉的圖樣和光強分布曲線，并計算了條紋間距和對比度，直觀地展示了雙縫干涉這一物理現(xiàn)象，同時設置了初始條件修改模塊，可以清晰地顯示不同條件下的干涉現(xiàn)象，為雙縫干涉的理論與實驗提供了有力的支持。

LabVIEW；干涉；模擬實驗

楊氏雙縫干涉實驗[1-2]是光學發(fā)展史上具有重要意義的實驗之一，它通過精密的裝置使光的干涉現(xiàn)象能成功地演示出來，驗證了惠更斯等人的光的波動理論。但是由于楊氏雙縫干涉實驗需要特殊的實驗設備和實驗環(huán)境，而這些設備與場所往往造價昂貴，光路調節(jié)復雜。因此，實驗往往耗時長久，并有可能得不到良好的實驗結果。為此，利用LabVIEW軟件[3-4]對楊氏雙縫干涉仿真模型，可以在脫離實驗環(huán)境和實驗儀器設備的情況下，借助計算機進行楊氏雙縫干涉的虛擬實驗。本文研究了楊氏雙縫干涉理論模型，設計了仿真的數(shù)學模型，展現(xiàn)了楊氏雙縫干涉現(xiàn)象。

1 雙縫干涉實驗原理

圖1 楊氏雙縫干涉原理圖

楊氏雙縫干涉實驗裝置如圖1：由一個光源、單縫屏、雙縫屏以及顯示屏組成，單縫屏的作用是保證到達雙縫的光為同一波源發(fā)出的子波，S1、S2出射的光波為頻率相同、初相位相同的相干光，這兩列相干光會在顯示屏上相遇，由于到達屏幕各點的光程不同引起相位差，疊加的結果是在有些點加強，有些點抵消，形成干涉現(xiàn)象。在P點相遇是干涉加強或是干涉減弱取決于兩光波的光程差[5]：

其中，δ為光程差，D為雙縫屏到顯示屏的距離，2a為雙縫之間的距離，在通常的實驗條件下和觀察范圍內，有Da＜＜±x，利用z＜＜1時，

此時，相干疊加光波強度為

其中，I0、λ分別為入射光光強及波長。

2 基于LabView的雙縫干涉虛擬實驗系統(tǒng)

圖2 虛擬干涉實驗前面板

前面板包括實驗裝置演示區(qū)域、參數(shù)設整區(qū)域以及實驗結果顯示區(qū)域三個部分。其中實驗裝置演示區(qū)域，主要作用是讓同學直觀楊氏雙縫實驗裝置的結構和原理；參數(shù)設置區(qū)域可自由設定光源的波長、強度，雙縫間距、縫屏距等參數(shù)；結果顯示區(qū)域可以直觀對應此條件下的干涉波形及干涉條紋。圖2中直接觀察模擬條件入射波長λ= 633nm，入射光強I0=1mw，雙縫寬度2a =150um，縫屏間距D =1m，通過觀察干涉圖案及對應光強分布，逐一改變上述參數(shù)，可以得到雙縫干涉條紋強度的各種變化情況。

圖3 不同條件下的光強分布

比較圖3（a）與（b），當入射光功率發(fā)生改變時，條紋數(shù)目與條紋間距沒有改變，但是明條紋的亮度發(fā)生改變，且光功率越大，明條紋亮度越亮。比較圖3（a）與（c）、（d）、（e），當入射光波長、雙縫寬度及縫屏間距發(fā)生改變時，條紋間距發(fā)生明顯變化，且入射光波長越小，條紋間距越小，相同長度條紋數(shù)目越多; 縫屏間距越小，條紋間距越小，相同長度條紋數(shù)目越多，雙縫寬度越小，條紋間距越大，相同長度條紋數(shù)目越少。

3 結論

結果表明，用LabVIEW開發(fā)的雙縫干涉演示實驗與理論分析和實際實驗結果完全一致。用LabVIEW設計仿真實驗課件是對大學物理教學手段一種嘗試，不僅可以幫助學生激發(fā)學習興趣、建立基本光學干涉概念、驗證光學波動性的規(guī)律，更重要的是，課件界面的真實性和可操作性，有利于調動學生學習的主動性，創(chuàng)造性，有助于提高學生的創(chuàng)新能力和增加學習光學知識的信心。

[1]黃時中，倪致祥．大學物理 下冊［M］．北京：高等教育出版社2014：252

[2]趙凱華，鐘錫華. 光學( 下冊) ［M］. 北京: 北京大學出版社，1984: 2-11.

[3]陳琳，朱湘柱 楊氏雙縫干涉仿真模型設計[J] . 計算機仿真，2009， 26(9):269-272

[4]李江全，任玲等.LabVIEW虛擬儀器從入門到測控應用130例[M] 電子工業(yè)出版社2013：204-208

[5]姚啟鈞. 光學教程［M］. 北京: 高等教育出版社， 1989: 128-132.

Research on interference virtual experiment based on LabVIEW

ZHAI Long-hua

(Chizhou college， Chizhou Anhui 247000)

According to the theory of the double slit interference experiment， the dissertation simulates the double slit interference experiment by LabVIEW program. It describes the pattern and the light intensity distribution curve of the double slit interference， intuitively show the physical phenomenon of double slit interference. At the same time， the initial condition modification module is set up， which can clearly show the interference phenomenon under different conditions. It provides a strong support for the theory and experiment of the double slit interference.

LabVIEW; Interference; Simulation experiment

O348

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.05.020

1672–7304(2016)05–0041–02

池州學院研究中心自然科研項目“基于labview 的自混合干涉理論研究”（項目編號：2014ZR002）。

（責任編輯：吳湘銀）

翟龍華（1988-），男，安徽蕪湖人，研究方向：光學技術。