工程光学仿真实验报告

第一篇：工程光学仿真实验报告

工程光学仿真实验报告

实验者：39172211----汪汝亮

39172213----范

博 39172212----陈文俊

【实验目的】

学习使用光学系统仿真设计软件 ZEMAX，利用该仿真设计软件掌握光学系统设计、光线追踪、像质评价、系统成型及仿真再现等基本应用方法。

【实验设备】

ZEMAX软件

【实验内容】

1.ZEMAX功能、界面及数据输入的演示。

2.单镜片、双镜片、牛顿望远镜的设计实现。

【实验步骤及数据处理】

1.单镜片

运行ZEMAX软件，按要求输入3个波长，在STO后插入一个面。输入STO的材质BK7，孔径大小以及厚度。再输入第一面及第二面镜的曲率半径100及-100.选中analysis 中的fans，得到图形如下

矫正defocus,得到图形如下

定义评价函数

最佳设计如下图

Spot Diagram

Focal Shift

OPD 双镜片

叫出课程1的LDE，在STO后插入一个镜片，定义第一面、第二面镜材质分别为BK7和SF1，优化，叫出Chromatic Focus Shift，更改diameter,STO的thickness。得到下图 Focal Shift

Ray Fan Curve

2D Layout

改变STO的Thickness得如下图

Field Curvature 牛顿望远镜

在STO的thickness中输入-1000，curvature中键入-2000，GLASS为MIRROR，aperture为200，波长选用0.550，观察spot diagram，如下图

Airy Disk

定义抛物面镜

在反射镜后放一个折镜fold mirror,把STO的thickness改为-800，结果如下图

在imagine plane前插一个dummy surface，3Dlay out 结果如下

在STO前插入一个surface，使其thickness为900，Aperture Type 为“Circular Obscuration”,Max Radius键入40，3Dlay out 观察结果如下

【思考题解答】

1.当前常用的光学设计软件有ZEMAX、CODE V、OSLO、ASAP等等。2.用ZEMAX进行光学设计的主要步骤：（1）新建镜头；（2）调用镜头；

（3）光路计算与优化计算；（4）像质评价。

【实验心得体会】

通过这次试验，我第一次接触了光学设计软件ZEMAX，并通过阅读实验指导书，自主完成了指导书上的仿真实验任务。虽然，仅仅通过这一次的ZEMAX仿真实验并不能使我们掌握该软件的使用，但是有了这次的接触，在以后的学习生活中再接触到这种软件就不会感到陌生了。

第二篇：仿真实验报告

仿真软件实验

实验名称：基于电渗流的微通道门进样的数值模拟

实验日期：2013.9.4一、实验目的1、对建模及仿真技术初步了解

2、学习并掌握Comsol Multiphysics的使用方法

3、了解电渗进样原理并进行数值模拟

4、运用Comsol Multiphysics建立多场耦合模型，加深对多耦合场的认识

二、实验设备

实验室计算机，Comsol Multiphysics 3.5a软件。

三、实验步骤

1、建立多物理场操作平台

打开软件，模型导航窗口，“新增”菜单栏，点击“多物理场”，依次新增：“微机电系统模块/微流/斯 托 克 斯 流（mmglf）”

“ACDC模块/静态，电/传导介质DC（emdc）”

“微 机 电 系 统 模 块/微流/电动流（chekf）”

2、建立求解域

工作界面绘制矩形，参数设置：宽度6e-5，高度3e-6，中心（0,0）。复制该矩形，旋转90°。两矩形取联集，消除内部边界。5和9两端点取圆角，半径1e-6。求解域建立完毕。

3、网格划分

菜单栏，网格，自由网格参数，通常网格尺寸，最大单元尺寸：4e-7。

4、设置求解域参数

求解域模式中，斯托克斯流和传导介质物理场下参数无需改动，电动流物理场下，D各向同性，扩散系数1e-8，迁移率2e-11，x速度u，y速度v，势

能V。

5、设置边界条件

mmglf—入口1和7边界“进口/层流流进/0.00005”

出口5和12边界“出口/压力，粘滞应力/0”；

emdc—入口1和7边界“电位能/10V”

出口5和12边界“接地”

其余边界“电绝缘”；

chekf—入口1“浓度/1”，7“浓度/0”

出口5和12“通量/向内通量-nmflux_c_chekf”

其余边界“绝缘/对称”。

6、样品预置

（1）求解器参数默认为稳态求解器，不用修改。

（2）求解器管理器设置求解模式：初始值/初始值表达式，点变量值不可解和线

性化/从初始值使用设定。

（3）首先求解流体，对斯托克斯流求解，观察求解结果，用速度场表示。

（4）再求解电场，改变求解模式，点变量值不可解和线性化/当前解，对传导介

质DC求解，观察求解结果，用电位能表示。

（5）再求解电动流，不改变求解模式，观察求解结果，用电动流浓度表示。

7、样品上样

（1）改变emdc进口，边界7电位能由10改为3。对传导介质DC求解，结果用

电位能表示。

（2）改变chekf进口，7边界改为“通量/向内通量-nmflux_c_chekf”

；求解域

中x速度和y速度改为0去除载流作用；求解器设置改为瞬态求解器，时间改为“0:0.00001:0.00001”。求解模式全部使用当前解，对电动流求解，结果用浓度表示。

再求两次解，完成上样。

8、分离样品

（1）改变chefk进口，7边界“浓度/0”，1边界“浓度/-nmflux_c_chekf”。

（2）改变cmdc进口，7边界“电位能/10”，1边界“电位能/3”。

（3）重新求解电场。求解模式为初始值表达式和当前解，对传到介质DC求解，结果用电位能表示。

（4）样品分离求解。求解模式全部为当前解，对电动流求解，结果用浓度表示。

四、实验结果

五、讨论

在本次试验中，每一步操作都必须严格正确，而且参数的把握也一定要

到位，只有对每一步的设置做到精确无误，才能保证最后的实验结果。我在样品上样时一直未能获得良好的上样结果，发现对瞬态求解器的时间比例进行修改，可以获得良好上样结果，同时，在样品分离改变chefk左进口浓度时发现修改数值导致结果错误，遂未修改浓度，得到了正确结果。因此，一定要在实验时对参数正确设置。

通过对仿真实验课程的学习，及本次试验，我体会到仿真技术对于实验的帮助非常巨大，使得实验室进行的许多实验可以通过计算机模拟直接完成，节省了资源消耗，并极大地提高了实验效率。本课程的学习也让我了解到了仿真及建模技术的要领。我也基本掌握了Comsol Multiphysics

这款软件，我相信在今后我会将我对本课程的学习运用到实际中。

第三篇：工程光学基础实验报告格式及要求

《工程光学基础》实验报告内容及要求

一、报告内容

实验一：透镜基本性能测量

90分

1.实验目的 10分 2.透镜焦距测量原理（简述）10分 3.实验内容、结果及现象

70分 1）薄正透镜的成像

30分

按指导书上序号书写，要求画出实验光路并注明主要参数，如透镜焦距，以及相关距离等参数，并计算所求物理量，注明实验现象（正倒，虚实，放大缩小）。注意数据单位。图1-3，1-4，1-5及3个单透镜成像各5分，共30分。2）薄负透镜的成像

20分 要求同上。

图1-6，1-7，1-8，1-9各5分 3）透镜焦距的测量

20分

参照表1－1，选定一对玻罗板刻线，重复测量三次，注意数据单位（焦距小数点后保留一位，单位毫米）。15分

计算误差。

5分

实验二：干涉法测量空气折射率

90分

1.实验目的 10分 2.实验原理

10分

简述迈克尔逊干涉仪和马赫曾德干涉仪的工作原理（各5分）。3.实验内容

20分 根据实验室给定器件，基于迈尔孙干涉仪和马赫曾德干涉仪的工作原理进行测量空气折射率的光路设计，要求画出实际设计光路（各5分），并进行简要光路描述（各5分）。

4.实验结果

20分

按照实验指导书上的表1-1记录条纹变化数，并根据得到的实验数据计算不同条纹变化所对应的空气折射率值（10分）；绘制出空气压强与干涉条纹变化的关系曲线（5分）及空气折射率与压强的关系曲线（5分）。

5.思考题

30分（每题各10分）

实验三：衍射法测量光波波长

90分

1.实验目的10分 2.实验原理

20分 3.实验内容

20分

根据实验室给定器件基于夫琅和费衍射原理进行测量钠光波长光路设计（10分），并进行光路描述（10分）。

4.实验结果及分析

20分

按照实验指导书上表2-1记录数据，计算出钠光波长（10分）；计算误差并分析（10分）。5.思考题

20分（每题各10分）

二、报告要求

每份实验报告各10分

（1）必须有封皮，封皮上要注明课程名称，班级，姓名，学号；

（2）报告必须手写。

注：三个实验的报告按顺序排好，沿左侧装订成一册。

第四篇：工程光学实验报告及程序完美总结

实验报告

一、实验目的

通过使用一定的处理工具，用软件方式实现光束入射到介质界面上的反射和折射特性模拟。通过程序实现自定参数以及随机获取参数的光路显示。最终通过该实验使得自己对光学的折反射定律有更深的了解。

二、实验原理及方法

原理1（光的反射定律）：在反射现象中，反射光线，入射光线和法线都在同一个平面内；反射光线，入射光线分居法线两侧；反射角等于入射角；(“三线共面，两线分居，两角相等”)。

原理2（光的折射定律）：在折射现象中，折射光线位于有入射光线和发现所决定的平面内；折射角的正弦与入射角的正下按之比与入射角大小无关，仅有两种介质的性质决定。对于一定波长的光线而言，在一定温度和压力下，该比值是一常数，等于入射光所在介质的折射率n与折射光所在介质n’之比，即：n’sinI’=nsinI(其中I,I’分别为入射角与折射角大小)。

在本次实验中，为了实现对光的折反射的模拟，我们采用了Matlab软件，进行仿真。利用Matlab中的GUI界面，进行效果的显示。

三、实验内容及步骤

首先通过开启Matlab软件，打开其中的GUI窗口，效果如图1.1所示

图1.1 GUI开启界面图

然后通过适当地增添所需按键及选项，绘制如图1.2所示的GUI窗口图。

在图1.2中，ni,nt,thi,thr,tht分别表示入射介质的折射率，折射介质的折射率，入射角大小，反射角大小以及折射角大小。

S1按键的作用：按下S1前需要手动在为“EditText”类型的ni,nt,thi中输入三个参数，当按下S1时，在界面“axes1”中将显示满足上述三个参数的入射光线反射光线以及折射光线，并且会在其更新显示各个“Edit Text”类型中的值。

S2按键的作用：按下S2按键后，将自动获取“Edit Text”类型中ni,nt,thi三个参数，并且将thi进行8等分，将入射光线，反射光线，折射光线进行动态显示，并且更新显示结果。

S3按键的作用：按下S3按键后，用鼠标在“axes1”界面中的区域内（当前由于程序的设定，只能获取鼠标在0

在其中按键“Update”作用不大，仅仅是在对界面进行初始化（没有这一按键也可，因为在S1,S2,S3按键中，都有初始化了）。可以适当删除不需要的按键。

图1.2 GUI仿真界面图

当将一些要实现的功能定好后，就可以通过GUI所产生的M-file进行编程了。可以通过右击GUI仿真界面图，如图1.3所示。

图1.3 GUI进入M-file编辑示意图 进入M-file后，如图1.4所示。可以通过各个按键的函数进行编程，并且各个函数之间通过句柄（类似C语言中的指针）进行相互之间的访问以及数据的调用。

图1.4 M-file编辑界面图

最后通过适当的调节与不断的修该，可以达到较好的仿真效果。

四、实验结果

当按下S1按键后，结果如图1.5所示。

图1.5 S1按键后结果显示效果图

当按下S2按键后，结果如图1.6（其中动态显示一步的截图）所示。

图1.6 S2按键后结果的效果显示图

当按下S3按键后，结果如图1.6所示。

图1.6 S3按键后结果的效果显示图

在实验过程中，通过三个按键可以进行自定参数以及随机参数的选择，并且将所得参数进行显示以及绘制光路。在按下S1按键时，实现自定参数的画图，所以需要先在左上角输入3个参数（在实验内容中已有介绍），在参数的输入中，入射角要求小于90度，否则虽然有显示，但是显示出错。在按下S3按键时，实现随机获取参数的画图，可以自动获取鼠标的位置坐标，但是对鼠标的放置的位置范围有要求（在实验内容中已有介绍），这是由于在绘制光线的过程中的程序设定所限制的。否则当鼠标的位置超出所设定的要求范围时，将自动按输入的入射角为0度处理（这也是程序设定的）。这样设定的目的是为了方便一般的视觉视图，左上部分是入射光线，右上部分是反射光线，右下部分是折射光线。

五、实验分析

在本次实验中，遇到的主要问题有以下几个：

问题

1、参数的限定条件。在实验过程中，按下S1按键后，只能通过设定3个参数（ni,nt,thi）进行定参数的光线光路绘制，而不能通过其他参数的设定如ni,nt,tht或者ni,thi,tht等进行光路的绘制。

问题

2、光路中的箭头表示。在仿真图中，当入射角度过大（或者说折射角过大时），出现在折射光线上的箭头很小甚至消失。现象如图1.7所示。

图1.7 箭头问题示意图

可以看到，在图1.7中，折射光线上的箭头已经看不见了。

对于问题1的解决方法可以在GUI界面中增加按键进行指定参数的选择，这个问题并不能反应多少实质性的光路问题，所以没有对该问题进行过多的探讨。有时间可以通过增加按键进行参数的设定选择。

对于问题2的解决方法，因为光是矢量，没有方向就不能称之为光线，所以应该对其进行详细的解决。目前由于没有做过合适的检测，只能是通过优化矢量函数quiver()来对达到预初效果。修改如图1.8 所示。

图1.8 箭头问题修改后光路图

可以明显看到修改后在入射角56.0257（图1.7中的入射角为54.9841）比之前的入射角还大的情况下，折射光线的箭头很明显可以观察到。这是因为在处理问题2中，利用了quiver()进行了优化处理。为详化分析有必要将此函数进行简单说明。

quiver（x,y,u,v,n,’m’)函数，是画二维矢量的函数，其中x,y,表示矢量的起点；u,v分别表示在矢量方向上的x,y方向上的增量；n表示对u,v的增量，并且该参数影响箭头显示的大小，系统默认是1（实际上是0.9），可以通过调节n的值进行箭头大小的调节，m表示进行矢量画线的颜色（b表示蓝色，r表示红色等等）。该函数使用的效果不理想的最终原因就是因为在选定n以后，对于不同的u,v给出的箭头大小不理想，而如何优化箭头大小以及箭头显示的位置成了一对矛盾的统一体。

由于该函数没有确定终点，所以在进行画线的时候没有办法准确定好箭头所在的位置，当u,v较小时，如果(x,y)离（5，5）也很近，此时会使得箭头接近折射光线的起点，使得箭头看起来不明显，效果如图1.9所示。

图1.9 变量偏小时的问题示意图

当然，在增量u,v(此处指u,v的绝对值)较大的情况下，虽然(x,y)离(5,5)较近时会有较明显的效果，但是当(x,y)离(5,5)在远离一点点，便会发生很大的偏差，可能突然就没有了箭头。不过，在此次编写的程序中，我们固定了折射光线的起点，即选择(x,y)=(5,5)进行折射光的光路绘制。显然，当u,v有较大的值，即在程序中折射角过大时，容易产生图1.7中的现象，所以，我们选择了在不同的角度下，选择不同的矢量增量，即优化了u,v的选择，以及在不同的u,v情况下，对n给予不同的值，防止箭头在某些情况下过大或者过小。当然解决问题2的方法有很多，这只是其中的一种，也可以使用annotation()函数，但是由于该函数需要对GUI窗口进行归一化，难以建立鼠标坐标与GUI窗口的对应关系，所以没有用该方法。对问题2的细节描述在程序中都有较详细的说明（可以在M-file文件中的232至236即pushbutton4的Callback函数中查看）。

六、实验总结

通过本次实验加深了对光的折反射定律的理解以及对于Matlab中关于相关绘图和仿真的应用操作的了解。

第五篇：物理仿真实验报告

物理仿真实验报告

良导体热导率的动态法测量

日期

年 月 日

姓名

学号

班级

学院

评分

教师签名

实验简介：

在测量热导率的实验中，最普遍采用的方法是稳态法，即在保持被测样品各点温度不随时间变化的情况下测量热流，然后求出热导率，这种方法实验条件要求严格不易测准．而动态法就将难于测准的热学量的测量转变为容易测准的长度测量，从而显著降低测量误差．

实验原理：

实验采用热波法测量铜、铝等良导体的热导率。简化问题，令热量沿一维传播，周边隔热,如图1所示。根据热传导定律，单位时间内流过某垂直于传播方向上面积A的热量，即热流为为截面积，文中TxptkATx(1)，其中K为待测材料的热导率，A是温度对坐标x的梯度,负号表示热量流动方向与温度变化

qtqtTx22方向相反．dt时间内通过面积A流入的热量dq=[()x()xdx]dtkAdxdt

若没有其他热量来源或损耗，据能量守恒定律，dt时间内流入面积A的热量等于温度升高需要的热量。dq=(cAdxTt)dt,其中C，ρ分别为材料的比热容与密度。所以任一时刻棒元热TtkTx22平衡方程为Cdxdx(2)由此可得热流方程

Tt=D

Tx22(3)其中D=

kC称为热扩散系数．式（3）的解将把各点的温度随时间的变化表示出来，具体形式取决于边界条件，若令热端的温度按简谐变化，即T=T0Tmsint(4)其中Tm是热端最高温度，为热端温度变化的角频率。另一端用冷水冷却，保持恒定低温，则式（3）的解也就是棒中各点的温度为2DT=T0xTmexsin(t2Dx)(5), 其中T0是直流成分，是线性成分的斜率，从式（5）中可以看出：

1)热端(x=0)处温度按简谐方式变化时，这种变化将以衰减波的形式在棒内向冷端传播，称为热波．

2)热波波速：V=2D(6)3)热波波长：22D(7)因此在热端温度变化的角频率已知的情况下，只要测出波速或波长就可以计算出 D．然后再由D=2kC2计算出材料的热导率K．本实验采用.式（6）可得V22kC则k=VC4fVC4T(8)其中，f、T分别为热端温度按简谐变化的频率和周期．实现上述测量的关键是：1)热量在样品中一维传播．2)热端温度按简谐变化．

实验仪器：实验仪器结构框图见图2(a)，该仪器包括样品单元，控制单元和记录单元三大部分．实际仪器由两种工作方式：手动和程控．他们都含样品单元和控制单元，不同的只是记录单元．前者用高精度x-y记录仪，后者用微机实现对整个系统的控制、数据的采集、记录和绘图，仪器主机由用绝热材料紧裹侧表面的园棒状样品（实验取铜和铝两种样品）、热电偶列阵（传感器）、实现边界条件的脉动热源及冷却装置组成。

实验操作：

1． 打开水源，从出水口观察流量，要求水流稳定。2． 打开电源开关，主机进入工作状态。3． “程控”工作方式。

实验数据：

铜样品：铜的比热C：385

K 密度：8.92×103 Kg/m3

铝样品：铝的比热C：906J/KgK 密度:2.702×103Kg/m3

思考题：

1．如果想知道某一时刻t时材料棒上的热波，即T~t曲线，将如何做？请画出大概形状。答：观察测量状态显示中的运行时间，到待测时间，恩下操作栏中的暂停键即可得到某时刻材料棒上的热波。

2．为什么较后面测量点的T~t曲线振幅越来越小？

答：高次谐波随距离快速衰减，所以较后面测量点的的T~t曲线振幅越来越小。