MATLAB 光学仿真设计实验报告.docx
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MATLAB光学仿真设计实验报告
MATLAB光学仿真设计实验报告
实验一
代码：
clear;
clc;
i=sqrt（-1）;
lm=1064e-9;
L=888*lm;
a=18*lm;
k=2*pi/lm;
x1=linspace（-a,a,1000）;
Un_n=zeros（1,1000）;
Un_1=ones（1,1000）;
form=1:
1000
x=x1（m）;
y=exp（（-i*k*（x-x1）.^2）/（2*L））.*Un_1;
Un_n（m）=sqrt（i/（lm*L）*exp（-i*k*L））*sum（y）;
end
aaa=abs（Un_n）;
yabsmax=max（aaa）;
Un_n=Un_n/yabsmax;
Un_2=aaa/yabsmax;
Yn_2=angle（Un_n）;
formmm=1:
299
forn=1:
1000
x=x1（n）;
y=exp（（-i*k*（x-x1）.^2）/（2*L））.*Un_n;
Un_n_1（n）=sqrt（i/（lm*L）*exp（-i*k*L））*sum（y）;
end
Un_n=Un_n_1;
aaa1=abs（Un_n）;
yabsmax=max（aaa1）;
Un_n=Un_n/yabsmax;
end
Un_300=aaa1/yabsmax;
Yn_300=angle（Un_n）;
forn=1:
1000
x=x1（n）;
y=exp（（-i*k*（x-x1）.^2）/（2*L））.*Un_n;
Un_n_1（n）=sqrt（i/（lm*L）*exp（-i*k*L））*sum（y）;
end
Un_n=Un_n_1;
bbb=abs（Un_n）;
yabsmax=max（bbb）;
Un_n=Un_n/yabsmax;
Un_301=bbb/yabsmax;
Yn_301=angle（Un_n）;
figure
（1）;plot（Un_2）;
holdon;
plot（Un_300,'r'）;
holdon;
plot（Un_301,'g'）;
xlabel（'X'）;ylabel（'振幅'）;
gridon;
axison;
axis（[0,1000,0,1]）
figure
（2）;
plot（Yn_2）;
holdon;
plot（Yn_300,'r'）;
holdon;
plot（Yn_301,'g'）;
xlabel（'X'）;ylabel（'相位'）;
gridon;
axison;
axis（[0,1000,-0.5,2.5]）
所得图像：
更改数据为：
L=666*lm;a=22*lm;
实验二：
代码：
clearall
clc
tao_p=1.6e-12;
tao_e=2.2e-9;
N0=1.1e8;
n_g=4;
c=3e8;
v_g=c/n_g;
Tao=0.3;
a=2.5e-20;
Nth=2.14e8;
n0=1e12;
w=2e-6;
L=250e-6;
d=0.2e-6;
V=w*L*d;
Gr=Tao*v_g*a;
beta_sp=1e-4;
B=1e-16;
ee=1.6e-19;
gama=1/tao_p;
gama_e=1/tao_e;
I=2e-2;
h=2e-12;
Th=h*（2^15）;
tt=[0:
h:
Th];
M=length（tt）;
tt=zeros（1,M+1）;
P_0=zeros（1,M+1）;
N=zeros（1,M+1）;
P_0
（1）=3e2;
N
（1）=n0*V;
forii=1:
M
PK1=（（Gr*（N（ii）/V-n0）-gama）*P_0（ii）+beta_sp*B*N（ii）.^2/V）;
NK1=（I/（ee）-gama_e*N（ii）-Gr*（N（ii）/V-n0）*P_0（ii））;
PK2=（（Gr*（（N（ii）+h*NK1/2）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK1/2）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK1/2）.^2/V）;
NK2=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK1/2）-Gr*（（N（ii）+h*NK1/2）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK1/2））;
PK3=（（Gr*（（N（ii）+h*NK2/2）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK2/2）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK2/2）.^2/V）;
NK3=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK2/2）-Gr*（（N（ii）+h*NK2/2）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK2/2））;
PK4=（（Gr*（（N（ii）+h*NK3）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK3）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK3）.^2/V）;
NK4=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK3）-Gr*（（N（ii）+h*NK3）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK3））;
tt（ii+1）=tt（ii）+h;
P_0（ii+1）=P_0（ii）+（PK1+2*PK2+2*PK3+PK4）*h/6;
N（ii+1）=N（ii）+（NK1+2*NK2+2*NK3+NK4）*h/6;
end
figure
（1）;plot（tt,N,'r'）;
ylabel（'载流子数密度'）;
xlabel（'时间'）;
gridon
figure
（2）;
plot（tt,P_0,'g'）;
gridon
ylabel（'光子数密度'）;
xlabel（'时间'）;
所得图像：
改变参数为：
L=456e-6;
实验三：
代码：
clearall
clc
tao_p=1.6e-12;
tao_e=2.2e-9;
N0=1.1e8;
n_g=4;
c=3e8;
v_g=c/n_g;
Tao=0.3;
a=2.5e-20;
Nth=2.14e8;
n0=1e12;
w=2e-6;
L=250e-6;
d=0.2e-6;
V=w*L*d;
Gr=Tao*v_g*a;
beta_sp=1e-4;
B=1e-16;
ee=1.6e-19;
gama=1/tao_p;
gama_e=1/tao_e;
I0=9e-2;
h=2e-12;
Th=h*（2^17）;
tt=[0:
h:
Th];
M=length（tt）;
tt=zeros（1,M+1）;
P_0=zeros（1,M+1）;
N=zeros（1,M+1）;
P_0
（1）=3e2;
N
（1）=n0*V;
Am=0.9;
fm=0.01e9;
forii=1:
M
I=I0*（1+Am*sin（2*pi*fm*tt（ii））;
PK1=（（Gr*（N（ii）/V-n0）-gama）*P_0（ii）+beta_sp*B*N（ii）.^2/V）;
NK1=（I/（ee）-gama_e*N（ii）-Gr*（N（ii）/V-n0）*P_0（ii））;
PK2=（（Gr*（（N（ii）+h*NK1/2）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK1/2）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK1/2）.^2/V）;
NK2=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK1/2）-Gr*（（N（ii）+h*NK1/2）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK1/2））;
PK3=（（Gr*（（N（ii）+h*NK2/2）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK2/2）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK2/2）.^2/V）;
NK3=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK2/2）-Gr*（（N（ii）+h*NK2/2）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK2/2））;
PK4=（（Gr*（（N（ii）+h*NK3）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK3）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK3）.^2/V）;
NK4=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK3）-Gr*（（N（ii）+h*NK3）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK3））;
tt（ii+1）=tt（ii）+h;
P_0（ii+1）=P_0（ii）+（PK1+2*PK2+2*PK3+PK4）*h/6;
N（ii+1）=N（ii）+（NK1+2*NK2+2*NK3+NK4）*h/6;
end
figure
（1）;plot（tt,N,'r'）;
ylabel（'载流子数密度'）;
xlabel（'时间'）;
gridon
figure
（2）;
plot（tt,P_0,'g'）;
gridon
ylabel（'光子数密度'）;
xlabel（'时间'）;
所得图像：
方波:
I=I0*[1+Am*square（（2*pi*fm*tt（ii））,50）];
更改参数:
Am=5;fm=0.2*10^9;
实验四：
代码：
clearall
clc
tao_p=1.6e-12;
tao_e=2.2e-9;
N0=1.1e8;
n_g=4;
c=3e8;
v_g=c/n_g;
Tao=0.3;
a=2.5e-20;
Nth=2.14e8;
n0=1e12;
w=2e-6;
L=250e-6;
d=0.2e-6;
V=w*L*d;
Gr=Tao*v_g*a;
beta_sp=1e-4;
B=1e-16;
ee=1.6e-19;
gama=1/tao_p;
gama_e=1/tao_e;
I0=9e-2;
h=2e-12;
Th=h*（2^17）;
tt=[0:
h:
Th];
M=length（tt）;
tt=zeros（1,M+1）;
P_0=zeros（1,M+1）;
N=zeros（1,M+1）;
P_0
（1）=3e2;
N
（1）=n0*V;
Am=0.9;
fm=0.01e9;
forii=1:
M
I=I0*（1+Am*sin（2*pi*fm*tt（ii））;
PK1=（（Gr*（N（ii）/V-n0）-gama）*P_0（ii）+beta_sp*B*N（ii）.^2/V）;
NK1=（I/（ee）-gama_e*N（ii）-Gr*（N（ii）/V-n0）*P_0（ii））;
PK2=（（Gr*（（N（ii）+h*NK1/2）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK1/2）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK1/2）.^2/V）;
NK2=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK1/2）-Gr*（（N（ii）+h*NK1/2）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK1/2））;
PK3=（（Gr*（（N（ii）+h*NK2/2）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK2/2）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK2/2）.^2/V）;
NK3=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK2/2）-Gr*（（N（ii）+h*NK2/2）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK2/2））;
PK4=（（Gr*（（N（ii）+h*NK3）/V-n0）-gama）*（P_0（ii）+h*PK3）+beta_sp*B*（N（ii）+h*NK3）.^2/V）;
NK4=（I/（ee）-gama_e*（N（ii）+h*NK3）-Gr*（（N（ii）+h*NK3）/V-n0）*（P_0（ii）+h*PK3））;
tt（ii+1）=tt（ii）+h;
P_0（ii+1）=P_0（ii）+（PK1+2*PK2+2*PK3+PK4）*h/6;
N（ii+1）=N（ii）+（NK1+2*NK2+2*NK3+NK4）*h/6;
end
figure
（1）;plot（tt,N,'r'）;
ylabel（'载流子数密度'）;
xlabel（'时间'）;
gridon
figure
（2）;
plot（tt,P_0,'g'）;
gridon
ylabel（'光子数密度'）;
xlabel（'时间'）;
[WA1,wwl]=powerspectrum（abs（P_0（end-10000:
end））.^2,h）;
Wall=10*log（WA1）;
figure（3）;
plot（wwl*1e-9,Wall）;
%调用函数%
function[WA,ww]=powerspectrum（S,h）
Aaa=S;
St=1/h
RR1=（Aaa（1:
length（Aaa）-1））;
N=length（RR1）;
Wq=fft（RR1）;
Wq
（1）=0;
WA=（abs（Wq（1:
N/2）））;
ww=St*（0:
N/2-1）/N;
所得图像：
把代码中的I=I0*（1+Am*sin（2*pi*fm*tt（ii））换成I=I0*（1+Am*square（2*pi*fm*tt（ii）,50）），即把正弦信号换成方波信号，改变其他参数，调整成输出方波，所得图像：
实验五：
代码：
clearall
clc
u=2;
a=2.2;
gama_s=1000*1e9;
k=125*1e9;
gama_p=192*1e9;
gama_a=0.02*1e9;
gama_N=0.67*1e9;
h=2e-12;
Th=h*（2^15）;
tt=[0:
h:
Th];
M=length（tt）;
tt=zeros（1,M+1）;
E_x=zeros（1,M+1）;
E_y=zeros（1,M+1）;
N=zeros（1,M+1）;
n=zeros（1,M+1）;
E_x
（1）=0.03;
E_y
（1）=0.06;
N
（1）=1.003;
n
（1）=0.00003;
forii=1:
M
P=abs（E_x（ii））.^2+abs（E_y（ii））.^2;
E_x1=k*（1+i*a）*（（N（ii）-1）.*E_x（ii）+i*n（ii）.*E_y（ii））-（gama_a+i*gama_p）*E_x（ii）;
E_y1=k*（1+i*a）*（（N（ii）-1）.*E_y（ii）-i*n（ii）.*E_x（ii））+（gama_a+i*gama_p）*E_y（ii）;
N1=gama_N*（u-N（ii）.*（1+P）-i*n（ii）.*（E_y（ii）.*conj（E_x（ii））-E_x（ii）.*conj（E_y（ii））））;
n1=-gama_s*n（ii）-gama_N*（n（ii）*P+i*N（ii）.*（E_y（ii）.*conj（E_x（ii））-E_x（ii）.*conj（E_y（ii））））;E_x2=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N1/2-1）.*（E_x（ii）+h.*E_x1/2）+i*（n（ii）+h*n1/2）.*（E_y（ii）+h*E_y1/2））-（gama_a+i*gama_p）*（E_x（ii）+h*E_x1/2）;E_y2=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N1/2-1）.*（E_y（ii）+h.*E_x1/2）-i*（n（ii）+h*n1/2）.*（E_x（ii）+h*E_x1/2））+（gama_a+i*gama_p）*（E_y（ii）+h*E_y1/2）;N2=gama_N*（u-（N（ii）+h*N1/2）.*（1+P）-i*（n（ii）+h*n1/2）.*（（E_y（ii）+h.*E_y1/2）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x1/2））-（E_x（ii）+h*E_x1/2）.*conj（（E_y（ii）+h.*E_y1/2））））;n2=-gama_s*（n（ii）+h*n1/2）-gama_N*（（n（ii）+h*n1/2）.*P+i*（N（ii）+h*N1/2）.*（（E_y（ii）+h*E_y1/2）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x1/2））-（E_x（ii）+h*E_x1/2）.*conj（（E_y（ii）+h*E_y1/2））））;E_x3=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N2/2-1）.*（E_x（ii）+h*E_x2/2）+i*（n（ii）+h*n2/2）.*（E_y（ii）+h*E_y2/2））-（gama_a+i*gama_p）.*（E_x（ii）+h*E_x2/2）;E_y3=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N2/2-1）.*（E_y（ii）+h*E_x2/2）-i*（n（ii）+h*n2/2）.*（E_x（ii）+h*E_x2/2））+（gama_a+i*gama_p）.*（E_y（ii）+h*E_y2/2）;N3=gama_N*（u-（N（ii）+h*N2/2）.*（1+P）-i*（n（ii）+h*n2/2）.*（（E_y（ii）+h*E_y2/2）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x2/2））-（E_x（ii）+h*E_x2/2）.*conj（（E_y（ii）+h*E_y2/2））））;n3=-gama_s*（n（ii）+h*n2/2）-gama_N*（（n（ii）+h*n2/2）.*P+i*（N（ii）+h*N2/2）.*（（E_y（ii）+h*E_y2/2）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x2/2））-（E_x（ii）+h*E_x2/2）.*conj（（E_y（ii）+h*E_y2/2））））;E_x4=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N3-1）.*（E_x（ii）+h*E_x3）+i*（n（ii）+h*n3）.*（E_y（ii）+h*E_y3））-（gama_a+i*gama_p）*（E_x（ii）+h*E_x3）;E_y4=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N3-1）.*（E_y（ii）+h*E_x3）-i*（n（ii）+h*n3）.*（E_x（ii）+h*E_x3））+（gama_a+i*gama_p）*（E_y（ii）+h*E_y3）;
N4=gama_N*（u-（N（ii）+h*N3）.*（1+P）-i*（n（ii）+h*n3）.*（（E_y（ii）+h*E_y3）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x3））-（E_x（ii）+h*E_x3）.*conj（（E_y（ii）+h*E_y3））））;n4=-gama_s*（n（ii）+h*n3）-gama_N*（（n（ii）+h*n3）*P+i*（N（ii）+h*N3）.*（（E_y（ii）+h*E_y3）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x3））-（E_x（ii）+h*E_x3）.*conj（（E_y（ii）+h*E_y3））））;
tt（ii+1）=tt（ii）+h;
E_x（ii+1）=E_x（ii）+（E_x1+2*E_x2+2*E_x3+E_x4）*h/6;
E_y（ii+1）=E_y（ii）+（E_y1+2*E_y2+2*E_y3+E_y4）*h/6;
N（ii+1）=N（ii）+（N1+2*N2+2*N3+N4）*h/6;
n（ii+1）=n（ii）+（n1+2*n2+2*n3+n4）*h/6;
figure（3）;plot（tt,N,'black'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'总载流子密度'）;
gridon
figure（4）;plot（tt,n,'b'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'反转载流子密度差值'）;
gridon
end
figure
（1）;plot（tt,abs（Ex）.^2,'r'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'X线偏振模'）;
gridon
figure
（2）;plot（tt,abs（Ey）.^2,'g'）;
xlabel（'时间'）;
ylabel（'Y线偏振模'）;
gridon
所得图像：
加入正弦调制,将u=2;变成下面的u即可：
forii=1:
M
u=2*（0.8+0.2*sin（0.2*pi*1e9*tt（ii）））;
p=abs（Ex（ii））.^2+abs（Ey（ii））.^2;
实验六：
代码：
clearall
clc
u=2;
a=2.2;
gama_s=1e12;;
k=125*1e9;
gama_p=192*1e9;
gama_a=0.02*1e9;
gama_N=0.67*1e9;
eta=10e9;
tao=3e-9;
w=1.22e15;
h=2e-12;
Th=h*（2^15）;
tt=[0:
h:
Th];
tm=length（[0:
h:
tao]）;
M=length（tt）;
tt=zeros（1,M+1）;
E_x=zeros（1,M+1）;
E_y=zeros（1,M+1）;
N=zeros（1,M+1）;
n=zeros（1,M+1）;
E_x
（1）=0.03;
E_y
（1）=0.06;
N
（1）=1.003;
n
（1）=0.00003;
forii=1:
M
iftt（ii）P=abs（E_x（ii））.^2+abs（E_y（ii））.^2;
E_x1=k*（1+i*a）*（（N（ii）-1）.*E_x（ii）+i*n（ii）.*E_y（ii））-（gama_a+i*gama_p）*E_x（ii）;
E_y1=k*（1+i*a）*（（N（ii）-1）.*E_y（ii）-i*n（ii）.*E_x（ii））+（gama_a+i*gama_p）*E_y（ii）;
N1=gama_N*（u-N（ii）.*（1+P）-i*n（ii）.*（E_y（ii）.*conj（E_x（ii））-E_x（ii）.*conj（E_y（ii））））;
n1=-gama_s*n（ii）-gama_N*（n（ii）*P+i*N（ii）.*（E_y（ii）.*conj（E_x（ii））-E_x（ii）.*conj（E_y（ii））））;E_x2=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N1/2-1）.*（E_x（ii）+h.*E_x1/2）+i*（n（ii）+h*n1/2）.*（E_y（ii）+h*E_y1/2））-（gama_a+i*gama_p）*（E_x（ii）+h*E_x1/2）;E_y2=k*（1+i*a）*（（N（ii）+h*N1/2-1）.*（E_y（ii）+h.*E_x1/2）-i*（n（ii）+h*n1/2）.*（E_x（ii）+h*E_x1/2））+（gama_a+i*gama_p）*（E_y（ii）+h*E_y1/2）;N2=gama_N*（u-（N（ii）+h*N1/2）.*（1+P）-i*（n（ii）+h*n1/2）.*（（E_y（ii）+h.*E_y1/2）.*conj（（E_x（ii）+h*E_x1/2））-（E_x（ii）+h*E_x1/2）
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