WaveInterference Pro 波动光学实验室

WaveInterference Pro · 波动光学双缝干涉与衍射仿真实验室

> 基于惠更斯-菲涅耳波动光学原理与现代 Web 前端计算架构的原生光学仿真物理实验室。

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🌟 作品简介

WaveInterference Pro 是一款探索经典波动光学、相干光源传播、单双缝衍射与空间频谱的交互式科学实验平台。应用通过惠更斯子波积分模型与夫琅禾费衍射解析解，实时计算并动态渲染二维波动传播场、接收屏干涉条纹、一维光强空间分布曲线与多阶谐波声谱。

本项目采用零依赖纯原生前端架构（HTML5 Canvas 2D + Web Audio API + Vanilla JavaScript + Tailwind CSS），包含杨氏双缝干涉、单缝夫琅禾费衍射、五缝衍射光栅与圆孔艾里斑四大经典光学实验模式。

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🔬 核心理论与物理算法

1. 惠更斯-菲涅耳原理与子波积分 (Huygens-Fresnel Wavefront Simulation)

波动空间中任意一点的光振动等于波前上各点发出的二次子波在此处的相干叠加：

$$E(x, y, t) = \sum{i=1}^{N} \frac{A0}{\sqrt{ri}} \sin(k ri - \omega t + \phi_i)$$

其中 $k = \frac{2\pi}{\lambda}$ 为光学波数，$\omega$ 为角频率，$r_i$ 为各子波缝口至目标像素点的欧氏空间几何距离。

2. 杨氏双缝干涉与单缝衍射复合光强 (Double-Slit & Single-Slit Modulation)

光波经双缝后的接收屏总光强分布由单缝衍射因子与双缝干涉因子共同调制：

$$I(\theta) = I_0 \cdot \cos^2(\beta) \cdot \left[ \frac{\sin(\alpha)}{\alpha} \right]^2$$

• 双缝干涉项相位差：$\beta = \frac{\pi d}{\lambda} \sin\theta + \frac{\Delta\phi}{2}$

• 单缝衍射项相位差：$\alpha = \frac{\pi a}{\lambda} \sin\theta$

• 条纹间距公式：$\Delta y = \frac{\lambda L}{d}$

3. 缺级现象与空间条纹可见度 (Missing Orders & Visibility)

当干涉主极大位置与衍射零点重合时（$\frac{d}{a} = \frac{m}{k}$），该干涉级次将被衍射包络压制为暗斑，呈现理论缺级。条纹对比度定义为：

$$V = \frac{I{\max} - I{\min}}{I{\max} + I{\min}}$$

4. 连续可见光波长颜色转换 (Wavelength-to-RGB Mapping)

严格遵循 CIE 1931 光度学与色度学响应曲线，将 380nm~750nm 物理波长映射为真实视觉 RGB 激光色彩。

5. Web Audio 光学参数谐波声谱合成 (Harmonic Audio Synthesizer)

基于原生 AudioContext 振荡器阵列，将物理波长 $\lambda$ 映射至基准频率，缝间距 $d$ 调制多阶和声音程比例，实现光学与声学的多模态互动。

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📐 系统架构与技术实现

1. 波动传播引擎 (Wave Simulation): 60 FPS Canvas 2D 硬件加速，支持平面波入涉与孔径二次子波源计算。

2. 复合光强计算模块 (Diffraction Math): 解析干涉与衍射复合函数，支持双缝、单缝、多缝光栅与圆孔艾里斑。

3. 空间光强探测与包络 (Detector & Envelope): 接收屏条纹渲染、一维垂向光强示波曲线与底部水平空间包络谱。

4. 声学生态合成管线 (Web Audio BioSynth): 低延迟纯数学振荡器链路，提供沉浸式声光联动实验体验。

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🚀 运行与部署指南

本工程为纯原生前端应用，无需安装任何外部依赖：

1. 直接启动：双击根目录下 index.html 或通过任意静态 HTTP 服务器（如 VS Code Live Server / npx serve）即可畅享体验。

2. 浏览器支持：兼容所有支持 HTML5 Canvas 与 Web Audio API 的现代浏览器（Chrome、Edge、Safari、Firefox）。