西安邮电大学光学仿真课程设计(题目一三五九)

电子工程学院专业课程设计I实验报告姓名：系部：光电子技术系专业：电子科学与技术年级：学号：指导教师：地点：时间：2015/12/21--2015/12/31题目（一）光波偏振态的仿真一、实验目的通过对两相互垂直偏振态的合成1．掌握圆偏振、椭圆偏振及线偏振的概念及基本特性；2．掌握偏振态的分析方法。任务与要求：对两相互垂直偏振态的合成进行计算，绘出电场的轨迹。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。二、任务与要求对两相互垂直偏振态的合成进行计算，绘出电场的轨迹。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。三、实验原理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。1)线偏振光当、二分量的相位差时，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Ⅰ、Ⅲ象限内；当m为奇数时，光振动方向在Ⅱ、Ⅳ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，所以又叫做平面偏振光。通常将包含光矢量和传播方向的平面称为振动面。2)圆偏振光当振幅相等，相位差时，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顺时针方向旋转时，称为右旋偏振光，反之，称为左旋偏振光。椭圆偏振光在某一时刻，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。椭圆的长、短半轴和取向与二分量、的振幅和相位差有关。其旋向取决于相位差：当时，为右旋椭圆偏振光；当时，为左旋椭圆偏振光。四、课程设计步骤流程图：五、仿真结果及结果分定义变量c,lamd,T,k,w,t,z,Eox,EoyFx=Fy=0Fy=Fy+π/4Fy=7*π/4Ex=Eox*cos(w*t-k*z+Fx)Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+Fy)显示三维图像plot3(Ex,Ey,z)显示二维图像plot(Ex,Ey)Yesno开始实验结果分析：通过实验结果的截图可以知道，根据空间任一点光电场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，圆偏振与椭圆偏振。思考题：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。为什么圆偏振椭圆和线偏振是完全偏振光？答：应为它们如何确定光的左右旋？答：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。如何区分圆偏振和自然光？答：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。如何区分椭圆偏振和部分偏振光？答：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。根据仿真结果总结左右旋的规律。答：ø=mπ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；ø=mπ/2时，为圆偏振光；其它为椭圆偏振光。六、仿真小结通过本次光学仿真，使我对书本的知识有了更深的理解。本来在光学实验室已经做了关于偏振光的实验，如果说那个是宏观的话，那么这次仿真就是很好的微观教学，本来书本上的东西时间久了容易混淆，这次实验那些仿真图十分生动形象，给我留下了很深的印象，作为仿真的第一个实验，刚开始接触觉得还是很有难度，但随着理解和小伙伴们一起研究，最终我们还是出色完成了这个实验，给人很大的成就感。七、实验程序clearall;c=3e+8;lamd=5e-7;T=lamd/c;t=linspace(0,T,1000);z=linspace(0,5,1000);w=2*pi/T;k=2*pi/lamd;Eox=10;Eoy=5;Fx=0;i=1;forFy=0:pi/4:7*pi/4Ex=Eox*cos(w*t-k*z+Fx);Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+Fy);subplot(4,4,i);i=i+1;plot3(Ex,Ey,z);zlabel('z');xlabel('x');ylabel('y');title('Fy-Fx=*pi/4');endn=9;forFy=0:pi/4:7*pi/4Ex=Eox*cos(w*t+k*z);Ey=Eoy*cos(w*t+k*z+Fy);subplot(4,4,n);n=n+1;plot(Ex,Ey);title('Fy-Fx=*pi/4');end题目（三）光波场的时域频谱分析一、实验目的对一些常见光波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。二、任务与要求①无限长等幅振荡②持续有限时间的等幅振荡，持续时间为1ns、1ms、1s、10s、100s③指数衰减振荡E(t)=e-te-i2(t≥0)，=0、1、5、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。三、课程设计原理1)无限长时间的等幅振荡其表达式为teEtEtvi020)(式，它的频谱为)()(00)(2022000vvEdteEdteeEvEtvvivtitvi该式说明，等幅振荡光场对应的频谱只含有一个频率成分，我们称其为理想单色振动。其功率谱为，如图所示。2)可见，这种光场频谱的主要部分集中在从到的频率范围之内，主峰中心位于处，是振荡的表现频率，或称为中心频率。为表征频谱分布特性，定义最靠近的两个强度为零的点所对应的频率和之差的一半为这个有限正弦波的频谱宽度。由式，当时，;当时，，所以有。因此，振荡持续的时间越长，频谱宽度愈窄。3)衰减振荡其表达式可写为相应的为000ee)(02tttEtvit功率谱为22022)(41)(*)(|)(|vvvEvEvE如图所示。可见，这个衰减振荡也可视为无限多个振幅不同、频率连续变化的简谐振荡的叠加，为其中心频率。这时，把最大强度一半所对应的两个频率和之差，定义为这个衰减振荡的频谱宽度四、课程设计步骤流程图：开始定义变量：t1,w1,f,Eo,B,tao无限长时间的等幅震荡yt1=Eo*exp(-2i*pi*f*t1)Yw1=fft(yt1)持续有限时间等幅震荡yt2=Eo*exp(-2i*pi*f*t2)*(heaviside(t2+tao)-heaviside(t2-tao))Yw2=fourier(yt2)衰减震荡yt3=Eo*exp(-B*t3)*exp(-2i*pi*f.*t3)*(heaviside(t3))Yw3=fourier(yt3显示函数plot(t1,yt1)plot(f,abs(Yw1))显示函数ezplot(t2,yt2,[-2,2])ezplot(w2,abs(Yw2),[-22,10])显示函数ezplot(t3,yt3,[-1,10])ezplot(w3,abs(Yw3),[-10,-2])五、仿真结果与分析1.如何获得准单色光？答：对于一个实际的表观频率为υ0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υ0附近的一个很窄的频段内，可认为是中心频率为υ0的准单色光。2.影响光的单色性的因素有哪些？答：β和频率，振幅。3.衰减震荡中β的含义？答：衰减因子六、仿真小结本次实验虽然看上去很简单，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，最后走投无路的情况下用了fft函数才解决这个问题。实验过程中一遍一遍的检查让人时时刻刻在崩溃的边沿，差点我们都想换实验了，可是又觉得大家都做这么长时间了，还是再坚持一下，最后经过大家一起合作用fft做出来的喜悦也不是平时能够体会到的，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。七、程序clearall;closeall;clc;t1=linspace(-2*pi,2*pi,500)w1=linspace(-2*pi,2*pi,500)f=1;Eo=10;B=1;tao=2;yt1=Eo*exp(-2i*pi*f*t1);%无限长时间的等幅震荡Yw1=fft(yt1);subplot(3,2,1);plot(t1,yt1);subplot(3,2,2);plot(f,abs(Yw1));symst2w2t3w3yt2=Eo*exp(-2i*pi*f*t2)*(heaviside(t2+tao)-heaviside(t2-tao));%持续有限时间等幅震荡Yw2=fourier(yt2);subplot(3,2,3);ezplot(t2,yt2,[-2,2]);subplot(3,2,4);ezplot(w2,abs(Yw2),[-22,10]);yt3=Eo*exp(-B*t3)*exp(-2i*pi*f.*t3)*(heaviside(t3));%衰减震荡Yw3=fourier(yt3);subplot(3,2,5);ezplot(t3,yt3,[-1,10]);subplot(3,2,6)ezplot(w3,abs(Yw3),[-10,-2]);题目（五）双光束干涉的仿真一、实验目的1．掌握光的相干条件；2．掌握分波阵面双光束干涉的特点。任务与要求：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、任务与要求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。三、实验原理杨氏双缝干涉实验是最早利用分波阵面法获得相干光，从而获得光波干涉现象的典型实验装置。如图7.1.1所示，两狭缝间距为d，双缝所在平面与屏幕平行，两者之间的垂直距离为D，O为屏幕上的坐标原点且与两狭缝对称。两个狭缝光源满足振动方向相同、频率相同、相位差恒定的相干条件。故两列光在空间相遇，将产生干涉现象。屏幕上将出现明暗相间的干涉条纹。设OP=y，则由几何关系可知，两个相干光源到达屏幕上任意点P的距离分别为：这样两列相干光的光程差为，相位差为。设两狭缝光源的光波单独到达屏幕P点处的振幅分别为和，光强分别为和。则两列光波叠加后的振幅为：，而叠加后的光强为：。设两列光波在屏幕上相遇点振幅相等，则P点光强为：时为干涉明条纹。时为干涉暗条纹。其实绝对的单色光只是理论上存在，实际的“单色光”都是有一定谱线宽度的准单色光，这种准单色光入射到干涉装置后，其中的每一种波长成分都将产生自己的干涉条纹，由于波长不同，除零级明条纹外，其他级次的条纹将彼此错开，并发生不同级条纹的重叠。在重叠处总的光强为各种波长的条纹的光强的非相干相加。随着级次的增大，干涉条纹的明暗对比减小，当级次增大到某一值后，干涉条纹就消失了。对于谱线宽度为的准单色光，干涉条纹消失的位置应是波长的成分的k级明条纹与波长为的成分的k+1级明纹重合的位置。由于两成分在此位置上有同一光程差，根据光程差与明纹级次的关系可知，条纹消失时，应满足：。由于，于是可得：由此可知，愈大，即光的单色性愈差，能观察到得干涉条纹级次就愈小。四、课程设计步骤流程图：NY五、仿真结果与分析定义lamd,d,z,yzd,x,yi=1i500l1=sqrt((y(i)-d/2)^2+z^2);l2=sqrt((y(i)+d/2)^2+z^2);phi=2*pi*(l2-l1)/lamd;u(i,:)=4*cos(phi/2)^2;l1=sqrt((y(i)-d/2).^2+z^2);l2=sqrt((y(i)+d/2).^2+z^2);Nl=11;dl=linspace(-0.1,0