西邮科技光学课程设计报告

光学仿真课程设计实验报告课程名称：光学仿真课程设计姓名：贾奥学院：电子工程学院系部：光电子技术系专业：电子科学与技术年级：1202班学号：05122065指导教师：李晓莉职称：讲师时间：2014-12-15至2014-12-26多个单色波的叠加，波群的仿真一、实验目的目的：通过三个或三个以上频率相近的光波进行叠加计算，掌握波群及群速度的概念。任务与要求：对三个或三个以上频率相近的光波进行叠加计算，计算1=500nm，○123=5000.1nm，、○223=5001nm，、○323=50010nm，、○423=50020nm，、○523=500100nm，、时的合成波。绘出光波的传输图，总结波群的形成机理及条件。要求：1．计算无色散的情况，n500=1.58；2．存在色散时，那n500=1.58，n500.1=1.57996，n501=1.57964，n510=1.57655，n520=1.57329，n600=1.55284，n499.9=1.58036，n490=1.58366，n4801.58756，n400=1.63：3．色散加倍时的情况。二、实验原理实际上的光波都不是严格的单色光波，而是复色光波，它的光电场是所包含各个单色光波电场的叠加，即n01111cos()iEEtkz二色波的光电场为01110222cos()cos()EEtkzEtkz假设01020EEE，且121,2，则,cos()EEzttkz公式中0,2cos()mmEztEtkz121122m121122mkkk12121212kkk对于上述复色光波，,Ezt为其光场的振幅（包络），为其tkz光场的相位，这种复色光波的传播速度包含两种含义：等相位面的传播速度和等振幅面的传播速度，前者也称为相速度，后者也称为群速度或包络速度。1）复色波的相速度：若令复色波相位为常数（tkz=常数），则某时刻等相位面的位置z对时间的变换率dzdt即为等相位的传播速度——复色波的相速度，且有dzdtk2）复色光波的群速的：由复色波的表示公式可见，它的振幅是时间和空间的余弦函数，在任一时刻，满足（mmtkz）=常数的z值，代表了某等振幅面的位置。该等振幅面位置对时间的变换率即为等振幅面的传播速度——复色光波的群速度，且有mgmdzdtkk当很小时，可以写成gddk，gdkdkdkdk，gdd，1gdnnd该公式表明，在折射率n随着波长变化的色散介质中，复色光波的相速度不等于群速度：对于正常色散介质（dnd0），g；对于反色散介质（dnd0），g；在无色散介质（dnd=0）中，复色光波的相速度等于群速度，实际上，只有真空才属于这种情况。应当指出：○1复色光波是由许多单色光波组成的，只有复色光波的频谱宽度很窄，各个频率集中在某一“中心”频率附近时，上述关于复色光波速度的讨论才有意义。如果较大，得不到稳定的波群，则复色波群速度的概念没有意义。○2波群在介质中传播时，由于介质的色散效应，使得不同单色光波的传播速度不同。因此，随着传播的推移，波群发生“弥散”，严重时，其形状完全与初始波群不同。由于不存在不变的波群，其群速度的概念也就没有意义。所以只有在色散很小的介质中传播时，群速度才可以视为一个波群的传播速度。○3由于光波的能量正比于电场振幅的平方，而群速度是波群等振幅点的传播速度，所以在群速度有意义的情况下，它即是光波能量的传播速度。三、实验流程及程序实验程序：E0=20;n1=1.58;c=3e8;lamd1=5e-7;%lamd1为中心波长t=10e-15;v1=c/n1;E1=E0;E2=E0;E3=E0;z=linspace(0,20e-4,10000);expr=input('组数=');switchexprcase1lamd012=lamd1+10e-10;lamd013=lamd1-10e-10;k1=2*pi/lamd1;k012=2*pi/lamd012;k013=2*pi/lamd013;w1=2*pi*v1/lamd1;w012=2*pi*v1/lamd012;w013=2*pi*v1/lamd013;E01=E1*cos(w1*t-k1*z);E02=E2*cos(w012*t-k012*z);E03=E3*cos(w013*t-k013*z);case2lamd022=lamd1+10e-9;lamd023=lamd1-10e-9;k1=2*pi/lamd1;k022=2*pi/lamd022;k023=2*pi/lamd023;w1=2*pi*v1/lamd1;w022=2*pi*v1/lamd022;w023=2*pi*v1/lamd023;E01=E1*cos(w1*t-k1*z);E02=E2*cos(w022*t-k022*z);E03=E3*cos(w023*t-k023*z);case3lamd032=lamd1+10e-8;lamd033=lamd1-10e-8;k1=2*pi/lamd1;k032=2*pi/lamd032;k033=2*pi/lamd033;w1=2*pi*v1/lamd1;w032=2*pi*v1/lamd032;w033=2*pi*v1/lamd033;E01=E1*cos(w1*t-k1*z);E02=E2*cos(w032*t-k032*z);E03=E3*cos(w033*t-k033*z);endsubplot(4,1,1);plot(z,E01,'b');holdonplot(z,E02,'r');holdonplot(z,E03,'g');holdonlegend('E01','E02','E03');E000=E01+E02+E3;subplot(4,1,2);plot(z,E000);ylabel('E000');title('无色散时合成光传输');switchexprcase1n2=1.57996;v2=c/n2;n3=1.58003;v3=c/n3;lamd112=lamd1+10e-10;lamd113=lamd1-10e-10;k1=2*pi*n1/lamd1;k112=2*pi*n2/lamd112;k113=2*pi*n3/lamd113;w1=2*pi*v1/lamd1;w112=2*pi*v2/lamd112;w113=2*pi*v3/lamd113;E11=E1*cos(w1*t-k1*z);E12=E2*cos(w112*t-k112*z);E13=E3*cos(w113*t-k113*z);case2n2=1.57964;v2=c/n2;n3=1.58036;v3=c/n3;lamd122=lamd1+10e-9;lamd123=lamd1-10e-9;k1=2*pi*n1/lamd1;k122=2*pi*n2/lamd122;k123=2*pi*n3/lamd123;w1=2*pi*v1/lamd1;w122=2*pi*v2/lamd122;w123=2*pi*v3/lamd123;E11=E1*cos(w1*t-k1*z);E12=E2*cos(w122*t-k122*z);E13=E3*cos(w123*t-k123*z);case3n2=1.57655;v2=c/n2;n3=1.58366;v3=c/n3;lamd132=lamd1+10e-10;lamd133=lamd1-10e-10;k1=2*pi*n1/lamd1;k132=2*pi*n2/lamd132;k133=2*pi*n3/lamd133;w1=2*pi*v1/lamd1;w132=2*pi*v2/lamd132;w133=2*pi*v3/lamd133;E11=E1*cos(w1*t-k1*z);E12=E2*cos(w132*t-k132*z);E13=E3*cos(w133*t-k133*z);endsubplot(4,1,3);plot(z,E11,'b');holdonplot(z,E12,'r');holdonplot(z,E13,'g');holdonlegend('E11','E12','E13');E111=E11+E12+E13;subplot(4,1,4);plot(z,E111);ylabel('E111');title('有色散时合成光传输');四、实验结果及结果分析单色波叠加组数=1组数2组数3结果分析：○1复色光波是由许多单色光波组成的，只有复色光波的频谱宽度很窄，各个频率集中在某一“中心”频率附近时，上述关于复色光波速度的讨论才有意义。如果较大，得不到稳定的波群，则复色波群速度的概念没有意义。○2波群在介质中传播时，由于介质的色散效应，使得不同单色光波的传播速度不同。因此，随着传播的推移，波群发生“弥散”，严重时，其形状完全与初始波群不同。由于不存在不变的波群，其群速度的概念也就没有意义。所以只有在色散很小的介质中传播时，群速度才可以视为一个波群的传播速度。○3由于光波的能量正比于电场振幅的平方，而群速度是波群等振幅点的传播速度，所以在群速度有意义的情况下，它即是光波能量的传播速度。五、思考题1、.什么是群，什么是群速度，什么是相速度？群是复色光的集合，等相位面的传播速度称为相速度，等振幅面的传播速度称为群速度或包络速度2.群与色散有何关系？波群在介质中传播时，由于介质的色散效应，使得不同单色光波的传播速度不同。因此，随着传播的推移，波群发生“弥散”，严重时，其形状完全与初始波群不同。由于不存在不变的波群，其群速度的概念也就没有意义。所以，只有在色散很小的介质中传播时，群速度才可以视为一个波群的传播速度小结：一开始觉得程序很难，在和同学讨论后自己写出了程序，感觉其实并非那么难。最后在同学交流帮助下完成了仿真。薄膜干涉一、实验目的：1．掌握单层光学薄膜的反射特性；2．掌握光学薄膜的作用及增透增反的概念。任务与要求：对单层膜反射系数、反射率及相位因子进行计算，其中玻璃基片n=1.5，薄膜折射率依次取1.0、1.2、1.4、1.5、1.7、2.0、3.0，绘出反射率随薄膜厚度，入射角及波长的变化曲线。总结薄膜反射的特点。二、实验原理：在玻璃基片的光滑表面上镀一层折射率和厚度都均匀的透明介质薄膜，当光束入射到薄膜上时，将在膜内产生多次反射，并且在薄膜的两表面上有一系列的互相平行的光束射出。假设薄膜的厚度为h，折射率喂n1，基片折射率为n2，光由折射率喂n0的介质入射到薄膜上，采用类似于平行平板多光束干涉的处理方法，可以得到单层膜的反射系数为：r=Eor/Eoi=|r|eiφr。式中r1是薄膜上表面的反射系数，r2是薄膜下表面的反射系数，φ是相邻两个出射光束间的相位差，且有：φ=4π*n1*h*cosθ1/λ。当光束正入射到薄膜上的时候，薄膜两表面的反射系数分别为：r1=(n0-n1)/(n0+n1);r2=(n1-n2)/(n1+n2)最后我们可以得到正入射时单层膜的反射率公式：R=[(n0-n2)2*cos2(φ/2)+(n0*n2/n1-n1)2sin2(φ/2)]/[(n0+n2)2*cos2(φ/2)+(n0*n2/n1+n1)2sin2(φ/2)]。对于一定的基片和介质膜，n0、n2为常数，可由上式得到R随φ即随n1*h的变化规律。实验仿真中的图给出了n0=1，n2=1.5，对给定波长λ0和不同折射率的介质膜，按照上式计算出的单层膜反射率R随膜层光学厚度n1*h的变化曲线。由此曲线可如下结论：①n1=n0或n1=n2时，R和未镀膜时的反射率R0一样。②n1＜n2时，R＜R0,该单层膜的反射率较之未镀膜时减小，透过率增大，即该膜具有增透的作用，作为增透膜。进一步观察实验所得的图可以看