《光学仿真课程设计》指导书

电子科学与技术专业《光学仿真课程设计》指导书西安邮电大学光电子技术系2013年5月1目录（一）课程目的及要求................................................................................................1（二）实施管理办法....................................................................................................2（三）课程设计题目....................................................................................................3一、光波偏振态的仿真.........................................................................................3二、光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真.........................................3三、光波场的时域频谱分析.................................................................................3四、多个单色波的叠加，波群的仿真.................................................................4五、双光束干涉的仿真.........................................................................................4六、平行平板多光束干涉的仿真.........................................................................4七、薄膜干涉的仿真.............................................................................................5八、空间相干性的仿真.........................................................................................5九、光的圆孔衍射.................................................................................................5十、光的矩形孔衍射.............................................................................................5（四）光学基本理论....................................................................................................7一、光的偏振.........................................................................................................7二、光波在介质中界面上的反射及透射特性.....................................................9三、光波场的时域频谱.......................................................................................13四、多个单色波的叠加.......................................................................................15五、双光束干涉...................................................................................................17六、平行平板多光束干涉...................................................................................21七、薄膜干涉.......................................................................................................23八、空间相干性...................................................................................................25九、光的圆孔衍射...............................................................................................27十、光的矩形孔衍射...........................................................................................31附录：..........................................................................................................................351课程大纲............................................................................................................352过程检查表及成绩评定表................................................................................39参考文献......................................................................................................................411（一）课程目的及要求《光学仿真课程设计》是电子科学与技术专业三年级第一学期所开设的为期两周、2个学分的集中实践环节必修课程。通过该实践课程的学习，可以使学生对光学的基本原理有进一步的认识和理解，加强学生对光学理论的掌握，锻炼学生分析问题和解决问题的能力，提高学生动手能力，为后续课程的学习以及未来的工作、科学研究打下一定的基础。《光学仿真课程设计》利用计算机程序语言，设计、实现典型光学过程的仿真，巩固和应用《光学》课程的基本理论和方法，初步掌握仿真设计和调试的相关基本方法。具体内容包括：光的电磁理论仿真：利用菲涅尔公式计算光的反射折射、光的偏振、光的时域频谱分析、波群的仿真等。光的干涉仿真：双光束分波前干涉、双光束分振幅干涉、多光束干涉、薄膜干涉的仿真及空间相干、时间相干等。光的衍射仿真：菲涅尔衍射、夫琅和费衍射等。《光学仿真课程设计》要求学生在给定的时间内独立完成选定的题目，并完成报告。2（二）实施管理办法1宣讲：在课程设计开始前一周，给学生介绍课程设计的基本情况，包括要求、考核，介绍题目基本情况。2选题：课程设计开始第一天，根据要求选题。3过程管理：每一个设计题目按照如下流程进行：第一阶段：原理检查学生填写过程检查表中原理概述部分，指导老师结合提问检查学生对题目所设计理论的掌握情况；第二阶段：设计流程检查学生填写过程检查表中流程图部分，指导老师结合提问检查学生实现仿真分析的思路和流程；第三阶段：验收学生完成仿真分析后，指导老师通过提问、运行程序等方式检查仿真结果，填写过程检查表中结果验收部分，对学生完成质量、效果做出评价。4成绩评定指导老师根据学生在课程设计期间的学习态度、出勤、劳动、纪律、题目完成情况、回答问题及报告等的总体进行考核，分值比例：第一周35%，第二周35%，报告30%。3（三）课程设计题目一、光波偏振态的仿真目的：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、光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真目的：1．掌握反射系数及透射系数的概念；2．掌握反射光与透射光振幅和相位的变化规律；3．掌握布儒斯特角和全反射临界角的概念。任务与要求：对n1=1、n2=1.52及n1=1.52、n2=1的两种情况下，分别计算反射光与透射光振幅和相位的变化，绘出变化曲线并总结规律。三、光波场的时域频谱分析目的：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，4四、多个单色波的叠加，波群的仿真目的：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，①2,3=5000.1nm、②2,3=5001nm、③2,3=50010nm、④2,3=50020nm、⑤2,3=500100nm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，n500=1.58，n500.1=1.57996，n501=1.57964，n510=1.57655，n520=1.57329，n600=1.55284，n499.9=1.58003，n499=1.58036，n490=1.58366，n480=1.58756，n400=1.63；3．色散加倍时的情况。五、双光束干涉的仿真目的：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。六、平行平板多光束干涉的仿真目的：通过对平行平板多光束干涉的计算：1．掌握等倾干涉的概念；2．掌握干涉特点及条纹锐度，自由光谱范围及滤波特性等概念。任务与要求：对单色光（600nm）与复色光（两种颜色，如600nm、620nm）进行多光束干涉（要求变化R值，如R=0.046，R=0.27，R=0.64，R=0.87，R=0.99）的计算，绘出干涉条纹，观察条纹锐度；固定入射角（如0°、30°角），观察选频特性。对复色光观察自由光谱范围。对整个仿真进行总结归纳。5七、薄膜干涉的仿真目的：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