MATLAB波前传播与衍射场仿真工具箱

资 源 简 介

基于标量衍射理论开发的MATLAB仿真系统，实现菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的精确数值模拟。支持平面光波自由空间传播分析，适用于数字全息重建和光学波前检测研究。

详 情 说 明

波前传播与衍射场仿真系统

项目介绍

本项目基于标量衍射理论，实现了光学波前在自由空间中传播的数值仿真系统。系统核心功能包括菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射的模拟计算，采用快速傅里叶变换（FFT）算法和角谱传播法，能够准确模拟平面光波经过不同孔径后的衍射效应。本工具适用于数字全息重建、光学元件性能分析以及波动光学教学研究等领域。

功能特性

• 多种衍射模型：支持菲涅尔衍射（近场）和夫琅禾费衍射（远场）的数值计算
• 高效计算引擎：基于快速傅里叶变换（FFT）算法，实现衍射积分的快速离散化计算
• 角谱传播法：提供基于角谱理论的精确波前传播算法
• 灵活的输入参数：可自定义波长、传播距离和空间采样间隔
• 丰富的输出结果：输出复振幅场、强度分布和相位信息
• 可视化支持：可生成衍射图样、相位轮廓等直观的可视化结果

使用方法

基本输入参数

1. 初始复振幅场：复数矩阵，表示光波的振幅和相位分布
2. 波长：标量值，单位米（m）
3. 传播距离：标量值，单位米（m）
4. 空间采样间隔：标量值，单位米/像素（m/pixel）

输出结果

• 传播后的复振幅场（复数矩阵）
• 衍射场强度分布（实数矩阵，通过abs(output).^2计算）
• 相位分布图（实数矩阵，通过angle(output)提取）
• 可选的可视化结果（衍射图样、相位轮廓等）

示例代码

% 设置仿真参数 lambda = 632.8e-9; % 波长（He-Ne激光） d = 0.1; % 传播距离 dx = 1e-6; % 空间采样间隔

% 生成初始波前（例如：圆形孔径） [x, y] = meshgrid(-256:255, -256:255); aperture = sqrt(x.^2 + y.^2) < 50; % 半径为50像素的圆形孔径 input_field = aperture; % 假设初始相位为0

% 执行衍射计算 output_field = main(input_field, lambda, d, dx);

% 分析结果 intensity = abs(output_field).^2; phase = angle(output_field);

系统要求

• MATLAB R2018a 或更高版本
• 具备FFT计算能力（MATLAB内置fft2函数）
• 推荐内存：4GB以上（取决于矩阵尺寸）
• 为处理大型数据矩阵，建议使用64位MATLAB版本

文件说明

主程序文件集成了系统的核心仿真功能，主要包括基于角谱传播法的波前传播计算、菲涅尔衍射积分的高效离散化实现、夫琅禾费衍射条件的自动判别与计算，以及衍射场强度与相位分布的可视化输出能力。该文件通过接收用户定义的初始光场参数，自动选择合适的衍射模型进行计算，并返回完整的传播结果供进一步分析使用。