西安邮电大学光学仿真报告文档格式.docx

1、要求计算在=0、=/4、=/2、=3/4、=、=5/4、=3/2、=7/4时，在Ex=Ey及Ex=2Ey情况下的偏振态曲线并总结规律2、实验原理平面光波是横电磁波，其光场矢量的振动方向与光波传播方向垂直。一般情况下，在垂直平面光波传播方向的平面内，光场振动方向相对光传播方向是不对称的，光波性质随光场振动方向的不同而发生变化。将这种光振动方向相对光传播方向不对称的性质，称为光波的偏振特性。它是横波区别于纵波的最明显标志。1） 光波的偏振态 根据空间任一点光电场E的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。 设光波沿z方向传播，电场矢量为为表征该光波的偏振特性，可将其表

2、示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合，即 其中将上二式中的变量t消去，经过运算可得 式中，=y-x。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆，如图1-1所示。图1-1 椭圆偏振诸参量在上式中，相位差和振幅比Ey/Ex的不同，决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而也就决定了光的不同偏振状态。图1-2画出了几种不同值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都可以被认为是椭圆偏振态的特殊情况。 图1-2 不同值相应的椭圆偏振（1） 线偏振光 当Ex、Ey二分量的相位差=m（m=0, 1, 2，）时，椭圆退化为一条直线，称为线偏振光。此时有 当m为零或偶数时，光振动方向在、象限内；当

3、m为奇数时，光振动方向在、象限内。 由于在同一时刻，线偏振光传播方向上各点的光矢量都在同一平面内，因此又叫做平面偏振光。通常将包含光矢量和传播方向的平面称为振动面。（2） 圆偏振光当Ex、Ey的振幅相等（E0x=E0y=E0），相位差=m/2（m=3, 5）时，椭圆方程退化为圆方程该光称为圆偏振光。用复数形式表示时，有式中，正负号分别对应右旋和左旋圆偏振光。所谓右旋或左旋与观察的方向有关，通常规定逆着光传播的方向看，E为顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之，称为左旋圆偏振光。（3） 椭圆偏振光在一般情况下，光场矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都改变，它的末端轨迹是椭圆，故称为椭圆偏振光

4、。在某一时刻，传播方向上各点对应的光矢量末端分布在具有椭圆截面的螺线上（图1-3）。椭圆的长、短半轴和取向与二分量Ex、Ey的振幅和相位差有关。其旋向取决于相位差：当2m（2m+1）时，为右旋椭圆偏振光；当（2m-1）2m时，为左旋椭圆偏振光。图1-3 椭圆偏振光3、程序流程图4、结果分析 由理论知识可以知道光的偏振态的合成与振幅和相位差有关，即相位差和振幅比Ey/Ex的不同，决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而决定了光的不同偏振状态。 如上图取得是2Ex=Ey的不同相位时的偏振合成，当二者的相位差=m（m=0，1，2，）时合成为线偏振光，即第一幅图和第五幅图为线偏振光的图像，可以看出合成图为

5、一条线。而椭圆的长、短半轴和取向与二分量Ex、Ey的振幅和相位差有关，其旋向取决于相位差：当2m（2m+1）时，为右旋椭圆偏振光；（2m-1）2m时，为左旋椭圆偏振光。第二种方法：迎着光的传播方向看，若光矢量沿顺时针方向转动，称为右旋椭圆偏振光，反之称为左旋的，这个方法也可以判断圆偏振光的旋向。如果把振幅改为Ex=Ey进行仿真会发现只要相位差=m/2（m=1,3,5,）时，偏振合成为圆偏振光。此时值仿真结果会出现线偏振，圆偏振和椭圆偏振的合成图像。思考题1.说明偏振的定义；答：光场的振动方向相对光的传播方向的不对称性叫光的偏振。为什么圆偏振2.椭圆和线偏振是完全偏振光？应为它们3.如何确定光的

6、左右旋？规定逆着光传播方向看，E为顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之，称为左旋圆偏振光。2.如何区分圆偏振和自然光？通过1/4波片，再通过偏振片，然后旋转偏振片，若光强不变化，为自然光；若光强有变化，出现两次消光，为圆偏光。3.如何区分椭圆偏振和部分偏振光？通过1/4波片，并且最大或最小方向与波片光轴方向一致或垂直，再通过偏振片，并旋转偏振片有消光现象为椭圆偏振，无消光的为部分偏振光。6.根据仿真结果总结左右旋的规律。=m时候为线偏光，m=0/偶数时，在一、三象限；m=奇数时，在二、四象限；=m/2时，为圆偏振光；其它为椭圆偏振光。五、仿真小结 这是仿真的第一个题目，而且我也不是第一次接

7、触matlab，因此也很快的仿真出结果。但这是我头一次使用matlab来仿真物理现象，这让我对matlab有了新的认识。在仿真过程中还学了不少实用的语法以及指令，总之仿真实习不仅巩固了我光学的基础，还帮助我提高了matlab的编程能力真是一举两得。附录：clear all;c=3e+8; %光速 lamd=5e-7; %波长T=lamd/c;t=linspace（0,T,1000）;z=linspace（0,5,1000）;w=2*pi/T;k=2*pi/lamd; %波数Eox=5;Eoy=10;i=1;for Fy=0:pi/4:7*pi/4; Ex=Eox*cos（w*t-k*z）; E

8、y=Eoy*cos（w*t-k*z+Fy）; subplot（4,4,i）; i=i+1; plot3（Ex,Ey,z）; axis equal; axis normal; zlabel（z）; xlabel（x ylabel（yendn=9;7*pi/4 subplot（4,4,n）; n=n+1; plot（Ex,Ey）;光波场的时域频谱1、实验目的1掌握单色光、复色光的概念；2掌握准单色光的概念及光波频谱宽窄的影响因素。任务与要求：对常见光波无限长等幅振荡持续有限时间的等幅振荡，持续时间为1ns、1ms、1s、10s、100s指数衰减振荡E（t）=e-te-i20，（t0），=0、1、5

9、、10、100进行傅里叶变换计算并绘出频谱图，总结影响频谱宽窄的因素。等时间进行计算， 实际上，严格的单色光波是不存在的，我们所能得到的各种光波均为复色波。所谓复色波是指某光波由若干单色光波组合而成，或者说它包含有多种频率成分，它在时间上是有限的波列。 复色波的电场是所含各个单色光波电场的叠加， 即 在一般情况下，若只考虑光波场在时间域内的变化，可以表示为时间的函数E（t）。通过傅里叶变换，它可以展成如下形式：即一个随时间变化的光波场振动E（t），可以视为许多单频成分简谐振荡的叠加， 各成分相应的振幅E（），并且E（）按下式计算：|E（）|2表征了频率分量的功率，称|E（）|2为光波场的功率谱

10、。一个时域光波场E（t）可以在频率域内通过它的频谱描述。下面，给出几种经常运用的光波场E（t）的频谱分布。（1） 无限长时间的等幅振荡 它的频谱为 表明，等幅振荡光场对应的频谱只含有一个频率成分0，称其为理想单色振动。图3-1 等幅振荡及其频谱图（2） 持续有限时间的等幅振荡 图3-2 有限正弦波及其频谱图（3） 衰减振荡 图3-3 衰减振荡及其频谱图三、程序流程图从上面的仿真结果可以看出，当光波为无限长等振幅时它的频域为一冲击函数，表明该光波为单色波只包含一种频率。而有限长等振幅光波场的频域包含多种频率。最后的衰减振荡的频域有一个中心频率v0并且具有一定谱宽，随着衰减因子的减小其频谱宽度越来

11、越小，逐渐趋于单色波。实际上第二种光波与单色波的不同是，单色波是无限延伸的，而第二种波只是单色波的一段，通常称为波列。根据公式:表明波列长度2L和波列所包含的单色分波的波长范围成反比关系，波列越短，波列所包含的单色波的波长范围就越宽；相反，波列越长，波列所包含的单色分波的波长范围就越窄。当波列长度等于无穷大时，等于零，这就是单色波。1.如何获得准单色光？对于一个实际的表观频率为0的振荡，若其振幅随时间的变化比振荡本身缓慢很多，则这种振荡的平率就集中于0附近的一个很窄的频段内，可认为是中心频率为0的准单色光。4.影响光的单色性的因素有哪些？和频率，振幅。5.衰减震荡中的含义？衰减因子。 本次实验

12、虽然看上去很简单，但是在编写完后无论如何也调试不出来，检查了好几遍没没发现究竟什么地方有错误，感觉是matlab里面的傅里叶变换和阶跃函数之间存在bug，最后用了fft函数才解决这个问题。本次实验不仅锻炼我们的书本知识，也磨练了我们分析问题，解决问题的能力，合作的能力，而且这次试验也告诉我结束们往往在你想放弃的时候，也许就在成功路上的90%，再坚持一下就能成功了。syms t ;Eo=1;f=1;T=2;b=0.5;E=Eo*exp（-2i*pi*f*t）;subplot（3,2,1）;ezplot（t,E,-10,10）;F=fourier（E）;subplot（3,2,2）;ezplot（

13、abs（F）,-10,10）;E2=Eo*exp（-2i*pi*f*t）*（heaviside（t+T）-heaviside（t-T）;F2=fourier（E2）;subplot（3,2,3）;ezplot（t,E2,-6,6）;subplot（3,2,4）;ezplot（abs（F2）,-15,5）;axis equal;E3=Eo*exp（-b*t）*exp（-2i*pi*f*t）*（heaviside（t）;F3=fourier（E3）;subplot（3,2,5）;ezplot（t,E3,-2,10）;subplot（3,2,6）;ezplot（abs（F3）,-15,0）;双光束干涉1掌握光的相干条件；2掌握分波阵面双光束干涉的特点。对双缝干涉进行计算，分别绘出单色光和复色光（白光）的干涉条纹，总结双缝干涉的特点。二、实验原理1. 两束光的干涉现象 光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时， 在重叠区内形