【光学】基于matlab菲涅尔光谱和角光谱ASPSAP模拟聚焦高斯光束传播【含Matlab源码 15406期】

欢迎来到海神之光博客之家✅博主简介热爱科研的Matlab仿真开发者修心和技术同步精进个人主页海神之光代码获取方式海神之光Matlab王者学习之路—代码获取方式Matlab毕设Matlab毕设系列–说明期刊发表发表北大核心SCI不是梦⛳️座右铭行百里者半于九十。更多Matlab物理应用仿真内容点击①Matlab物理应用 进阶版②付费专栏Matlab物理应用初级版⛳️关注CSDN海神之光更多资源等你来⛄一、菲涅尔光谱和角光谱ASPSAP模拟聚焦高斯光束传播1 菲涅尔衍射与角光谱基础菲涅尔衍射理论适用于近场衍射计算通过菲涅尔积分描述光场传播。角光谱法Angular Spectrum Method, ASPSAP基于傅里叶光学将光场分解为平面波分量适用于自由空间传播模拟。两种方法均可用于高斯光束传播分析但数学框架不同。2 高斯光束参数定义高斯光束的复振幅分布可表示为[E(x,y,z) E_0 \frac{w_0}{w(z)} \exp\left(-\frac{x2y2}{w^2(z)}\right) \exp\left(-ikz - ik\frac{x2y2}{2R(z)} i\zeta(z)\right)]其中( w_0 ) 为束腰半径( w(z) w_0 \sqrt{1(z/z_R)^2} ) 为传播距离 ( z ) 处的光斑半径( z_R \pi w_0^2 / \lambda ) 为瑞利范围( R(z) z(1(z_R/z)^2) ) 为波前曲率半径( \zeta(z) ) 为 Gouy 相位。3 角光谱法实现步骤初始场傅里叶变换**对输入平面 ( z0 ) 的高斯光束进行二维傅里叶变换[\tilde{E}(f_x, f_y, 0) \mathcal{F}{E(x,y,0)}]其中 ( f_x, f_y ) 为空间频率分量。传播相位因子在频率域应用传播相位因子[\tilde{E}(f_x, f_y, z) \tilde{E}(f_x, f_y, 0) \cdot \exp\left(i2\pi z \sqrt{\frac{1}{\lambda^2} - f_x^2 - f_y^2}\right)]若 ( f_x^2 f_y^2 1/\lambda^2 )对应倏逝波需截断。逆傅里叶变换将频域场变换回空间域[E(x,y,z) \mathcal{F}^{-1}{\tilde{E}(f_x, f_y, z)}]4 菲涅尔衍射积分方法菲涅尔近似下的传播公式为[E(x,y,z) \frac{e^{ikz}}{i\lambda z} \iint E(x’,y’,0) \exp\left(\frac{ik}{2z}[(x-x’)^2 (y-y’)^2]\right) dx’dy’]可通过快速傅里叶变换FFT加速计算。5 代码实现示例Pythonimportnumpyasnpimportmatplotlib.pyplotaspltfromscipy.fftimportfft2,ifft2,fftshiftdefgaussian_beam(width,nx,ny,wavelength):xnp.linspace(-nx//2,nx//2,nx)ynp.linspace(-ny//2,ny//2,ny)xx,yynp.meshgrid(x,y)returnnp.exp(-(xx**2yy**2)/(2*width**2))defangular_spectrum_propagation(E_in,wavelength,dx,dy,z):nx,nyE_in.shape fxnp.fft.fftfreq(nx,dx)fynp.fft.fftfreq(ny,dy)fxx,fyynp.meshgrid(fx,fy)Hnp.exp(1j*2*np.pi*z*np.sqrt(1/wavelength**2-fxx**2-fyy**2))H[np.isnan(H)]0# 处理倏逝波E_outifft2(fft2(E_in)*H)returnE_out# 参数设置wavelength0.5e-6# 波长 500nmwidth50e-6# 束腰半径nx,ny512,512# 网格点数dxdy1e-6# 采样间隔z1e-3# 传播距离# 生成初始高斯光束E0gaussian_beam(width,nx,ny,wavelength)E_propangular_spectrum_propagation(E0,wavelength,dx,dy,z)# 可视化plt.imshow(np.abs(E_prop)**2,cmaphot)plt.colorbar()plt.show()6 注意事项采样定理需满足 ( \Delta x \lambda z / L )( L ) 为计算窗口尺寸避免混叠。数值稳定性角光谱法在远距离传播时可能因高频分量累积误差需结合菲涅尔积分分段计算。边界处理采用零填充或窗函数减少边缘衍射效应。通过上述方法可灵活模拟高斯光束在自由空间或透镜系统中的传播特性适用于光学设计、全息成像等领域。⛄二、部分源代码和运行步骤1 部分代码2 通用运行步骤1直接运行main.m即可一键出图⛄三、运行结果⛄四、matlab版本及参考文献1 matlab版本2019b2 参考文献[1] 门云阁.MATLAB物理计算与可视化[M].清华大学出版社2013.3 备注简介此部分摘自互联网仅供参考若侵权联系删除 仿真咨询1 各类智能优化算法改进及应用1.1 PID优化1.2 VMD优化1.3 配电网重构1.4 三维装箱1.5 微电网优化1.6 优化布局1.7 优化参数1.8 优化成本1.9 优化充电1.10 优化调度1.11 优化电价1.12 优化发车1.13 优化分配1.14 优化覆盖1.15 优化控制1.16 优化库存1.17 优化路由1.18 优化设计1.19 优化位置1.20 优化吸波1.21 优化选址1.22 优化运行1.23 优化指派1.24 优化组合1.25 车间调度1.26 生产调度1.27 经济调度1.28 装配线调度1.29 水库调度1.30 货位优化1.31 公交排班优化1.32 集装箱船配载优化1.33 水泵组合优化1.34 医疗资源分配优化1.35 可视域基站和无人机选址优化2 机器学习和深度学习分类与预测2.1 机器学习和深度学习分类2.1.1 BiLSTM双向长短时记忆神经网络分类2.1.2 BP神经网络分类2.1.3 CNN卷积神经网络分类2.1.4 DBN深度置信网络分类2.1.5 DELM深度学习极限学习机分类2.1.6 ELMAN递归神经网络分类2.1.7 ELM极限学习机分类2.1.8 GRNN广义回归神经网络分类2.1.9 GRU门控循环单元分类2.1.10 KELM混合核极限学习机分类2.1.11 KNN分类2.1.12 LSSVM最小二乘法支持向量机分类2.1.13 LSTM长短时记忆网络分类2.1.14 MLP全连接神经网络分类2.1.15 PNN概率神经网络分类2.1.16 RELM鲁棒极限学习机分类2.1.17 RF随机森林分类2.1.18 SCN随机配置网络模型分类2.1.19 SVM支持向量机分类2.1.20 XGBOOST分类2.2 机器学习和深度学习预测2.2.1 ANFIS自适应模糊神经网络预测2.2.2 ANN人工神经网络预测2.2.3 ARMA自回归滑动平均模型预测2.2.4 BF粒子滤波预测2.2.5 BiLSTM双向长短时记忆神经网络预测2.2.6 BLS宽度学习神经网络预测2.2.7 BP神经网络预测2.2.8 CNN卷积神经网络预测2.2.9 DBN深度置信网络预测2.2.10 DELM深度学习极限学习机预测2.2.11 DKELM回归预测2.2.12 ELMAN递归神经网络预测2.2.13 ELM极限学习机预测2.2.14 ESN回声状态网络预测2.2.15 FNN前馈神经网络预测2.2.16 GMDN预测2.2.17 GMM高斯混合模型预测2.2.18 GRNN广义回归神经网络预测2.2.19 GRU门控循环单元预测2.2.20 KELM混合核极限学习机预测2.2.21 LMS最小均方算法预测2.2.22 LSSVM最小二乘法支持向量机预测2.2.23 LSTM长短时记忆网络预测2.2.24 RBF径向基函数神经网络预测2.2.25 RELM鲁棒极限学习机预测2.2.26 RF随机森林预测2.2.27 RNN循环神经网络预测2.2.28 RVM相关向量机预测2.2.29 SVM支持向量机预测2.2.30 TCN时间卷积神经网络预测2.2.31 XGBoost回归预测2.2.32 模糊预测2.2.33 奇异谱分析方法SSA时间序列预测2.3 机器学习和深度学习实际应用预测CPI指数预测、PM2.5浓度预测、SOC预测、财务预警预测、产量预测、车位预测、虫情预测、带钢厚度预测、电池健康状态预测、电力负荷预测、房价预测、腐蚀率预测、故障诊断预测、光伏功率预测、轨迹预测、航空发动机寿命预测、汇率预测、混凝土强度预测、加热炉炉温预测、价格预测、交通流预测、居民消费指数预测、空气质量预测、粮食温度预测、气温预测、清水值预测、失业率预测、用电量预测、运输量预测、制造业采购经理指数预测3 图像处理方面3.1 图像边缘检测3.2 图像处理3.3 图像分割3.4 图像分类3.5 图像跟踪3.6 图像加密解密3.7 图像检索3.8 图像配准3.9 图像拼接3.10 图像评价3.11 图像去噪3.12 图像融合3.13 图像识别3.13.1 表盘识别3.13.2 车道线识别3.13.3 车辆计数3.13.4 车辆识别3.13.5 车牌识别3.13.6 车位识别3.13.7 尺寸检测3.13.8 答题卡识别3.13.9 电器识别3.13.10 跌倒检测3.13.11 动物识别3.13.12 二维码识别3.13.13 发票识别3.13.14 服装识别3.13.15 汉字识别3.13.16 红绿灯识别3.13.17 虹膜识别3.13.18 火灾检测3.13.19 疾病分类3.13.20 交通标志识别3.13.21 卡号识别3.13.22 口罩识别3.13.23 裂缝识别3.13.24 目标跟踪3.13.25 疲劳检测3.13.26 旗帜识别3.13.27 青草识别3.13.28 人脸识别3.13.29 人民币识别3.13.30 身份证识别3.13.31 手势识别3.13.32 数字字母识别3.13.33 手掌识别3.13.34 树叶识别3.13.35 水果识别3.13.36 条形码识别3.13.37 温度检测3.13.38 瑕疵检测3.13.39 芯片检测3.13.40 行为识别3.13.41 验证码识别3.13.42 药材识别3.13.43 硬币识别3.13.44 邮政编码识别3.13.45 纸牌识别3.13.46 指纹识别3.14 图像修复3.15 图像压缩3.16 图像隐写3.17 图像增强3.18 图像重建4 路径规划方面4.1 旅行商问题TSP4.1.1 单旅行商问题TSP4.1.2 多旅行商问题MTSP4.2 车辆路径问题VRP4.2.1 车辆路径问题VRP4.2.2 带容量的车辆路径问题CVRP4.2.3 带容量时间窗距离车辆路径问题DCTWVRP4.2.4 带容量距离车辆路径问题DCVRP4.2.5 带距离的车辆路径问题DVRP4.2.6 带充电站时间窗车辆路径问题ETWVRP4.2.3 带多种容量的车辆路径问题MCVRP4.2.4 带距离的多车辆路径问题MDVRP4.2.5 同时取送货的车辆路径问题SDVRP4.2.6 带时间窗容量的车辆路径问题TWCVRP4.2.6 带时间窗的车辆路径问题TWVRP4.3 多式联运运输问题4.4 机器人路径规划4.4.1 避障路径规划4.4.2 迷宫路径规划4.4.3 栅格地图路径规划4.5 配送路径规划4.5.1 冷链配送路径规划4.5.2 外卖配送路径规划4.5.3 口罩配送路径规划4.5.4 药品配送路径规划4.5.5 含充电站配送路径规划4.5.6 连锁超市配送路径规划4.5.7 车辆协同无人机配送路径规划4.6 无人机路径规划4.6.1 飞行器仿真4.6.2 无人机飞行作业4.6.3 无人机轨迹跟踪4.6.4 无人机集群仿真4.6.5 无人机三维路径规划4.6.6 无人机编队4.6.7 无人机协同任务4.6.8 无人机任务分配5 语音处理5.1 语音情感识别5.2 声源定位5.3 特征提取5.4 语音编码5.5 语音处理5.6 语音分离5.7 语音分析5.8 语音合成5.9 语音加密5.10 语音去噪5.11 语音识别5.12 语音压缩5.13 语音隐藏6 元胞自动机方面6.1 元胞自动机病毒仿真6.2 元胞自动机城市规划6.3 元胞自动机交通流6.4 元胞自动机气体6.5 元胞自动机人员疏散6.6 元胞自动机森林火灾6.7 元胞自动机生命游戏7 信号处理方面7.1 故障信号诊断分析7.1.1 齿轮损伤识别7.1.2 异步电机转子断条故障诊断7.1.3 滚动体内外圈故障诊断分析7.1.4 电机故障诊断分析7.1.5 轴承故障诊断分析7.1.6 齿轮箱故障诊断分析7.1.7 三相逆变器故障诊断分析7.1.8 柴油机故障诊断7.2 雷达通信7.2.1 FMCW仿真7.2.2 GPS抗干扰7.2.3 雷达LFM7.2.4 雷达MIMO7.2.5 雷达测角7.2.6 雷达成像7.2.7 雷达定位7.2.8 雷达回波7.2.9 雷达检测7.2.10 雷达数字信号处理7.2.11 雷达通信7.2.12 雷达相控阵7.2.13 雷达信号分析7.2.14 雷达预警7.2.15 雷达脉冲压缩7.2.16 天线方向图7.2.17 雷达杂波仿真7.3 生物电信号7.3.1 肌电信号EMG7.3.2 脑电信号EEG7.3.3 心电信号ECG7.3.4 心脏仿真7.4 通信系统7.4.1 DOA估计7.4.2 LEACH协议7.4.3 编码译码7.4.4 变分模态分解7.4.5 超宽带仿真7.4.6 多径衰落仿真7.4.7 蜂窝网络7.4.8 管道泄漏7.4.9 经验模态分解7.4.10 滤波器设计7.4.11 模拟信号传输7.4.12 模拟信号调制7.4.13 数字基带信号7.4.14 数字信道7.4.15 数字信号处理7.4.16 数字信号传输7.4.17 数字信号去噪7.4.18 水声通信7.4.19 通信仿真7.4.20 无线传输7.4.21 误码率仿真7.4.22 现代通信7.4.23 信道估计7.4.24 信号检测7.4.25 信号融合7.4.26 信号识别7.4.27 压缩感知7.4.28 噪声仿真7.4.29 噪声干扰7.5 无人机通信7.6 无线传感器定位及布局方面7.6.1 WSN定位7.6.2 高度预估7.6.3 滤波跟踪7.6.4 目标定位7.6.4.1 Dv-Hop定位7.6.4.2 RSSI定位7.6.4.3 智能算法优化定位7.6.5 组合导航8 电力系统方面微电网优化、无功优化、配电网重构、储能配置