西邮MATLAB光波偏振态的仿真实验报告

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：

学院：电子工程学院

系部：光电子技术系

专业：

年级：

学号：

指导教师：***

职称：讲师

时间：2013-11-18至2013-11-29

光波偏振态的仿真

一、实验目的

对两相互垂直偏振态的光合成进行计算，绘出电场的轨迹。画出不同情况下的偏振态曲线并总结规律。

二、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。

设光波沿z方向传播，电场矢量为E=E0cos(ωt−kz+φ0)为表征该光波的偏振特性，可将其表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合，即E= iE x+jE y其中

E x=E0x cos(ωt−kz+φx)

E y=E0y cos(ωt−kz+φy)

将上二式中的变量t消去，经过运算可得

(E x

E0x )

2

+(

E y

E0y

)

2

−2(

E x

E0x

)(

E y

E0y

)cosφ=(sinφ)2

式中,φ=φy−φx。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆，如图所示。相位差φ和振幅比E x

E y

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态。图画出了几种不同φ值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都是椭圆偏振态的特殊情况。

1)线偏振光当E x、E y二分量的相位差φ=mπ(m=0,±1,±2,⋯)时，椭

圆退化为一条直线，称为线偏振光。此时有E y

E x =E0y

E0x

e imπ

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E x、E y的振幅相等(E0x=E0y=E0)，相位差φ=mπ

2

(m= 1,±3,±5,⋯)时，椭圆方程退化为圆方程E x2+E y2=E02该光称为圆偏振

光。用复数形式表示时，有E y

E x

=e±iπ2=±i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。

3)椭圆偏振光在一般情况下，光矢量在垂直传播方向的平面内大小和

方向都在改变，它的末端轨迹是由

(E x

E0x )

2

+(

E y

E0y

)

2

−2(

E x

E0x

)(

E y

E0y

)cosφ=(sinφ)2

式决定的椭圆，故称为椭圆偏振光。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E x、E y的振幅和相位差有关。其旋向取决于相位差φ：当2mπ<

φ<(2m+1)π时，为右旋椭圆偏振光；当(2m−1)π<φ<2mπ时，为

左旋椭圆偏振光。

三、实验流程及程序

流程图：

程序：

clear all;

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;

for Fy=0:pi/4:7*pi/4

Ex=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'); end

n=9;

for Fy=0:pi/4:7*pi/4

Ex=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

四、实验结果及结果分析

结果分析：

1.光的偏振态分为几种？

答：线偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光。

2.决定光的偏振态的因素为哪几种？

答：相位差，振幅比

3.偏振光的旋向如何判断？

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。

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。