光的偏振态仿真

光学仿真课程设计报告

学院名称：电子工程学院

专业名称：电子科学与技术

指导教师：刘娟

学生姓名：xx

班级：科技1001

学号：051020xx（xx）

时间：2012年11月19日——2012年11月30日

课程设计名称：光波偏振态的仿真

一、课程设计目的：

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。

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ϕ=0、ϕ=π/4、ϕ=π/2、ϕ=3π/4、ϕ=π、ϕ=5π/4、ϕ=3π/2、ϕ=7π/4时，在E x =E y 及E x =2E y 情况下的偏振态曲线并总结规律。

三、课程设计原理

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：

（1）线偏振；（2）圆偏振；（3）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，可将其表示为沿 x 、y 方

向振动的两个独立分量的线性组合，即 其中

上二式中的变量 t 消去，经过运算可得 式中， 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态。

（1）线偏振光

当 Ex 、Ey 二分量的相位差 0o cos() (102)t kz ωϕ=-+E E + (103)

x y E E =E i j 00cos() cos() x x x y y y E E t kz E E t kz ωϕωϕ=-+=-+22200002cos sin y y x x x y x y E E E E E E E E ϕϕ⎛⎫⎛⎫⎛⎫

⎛⎫+-= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭

y x ϕϕϕ=-π(012)

m m ϕ==±±L ，，，

时，椭圆退化为一条直线，称为线偏振光。此时有

（2）圆偏振光

当 Ex 、Ey 的振幅相等( )

，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 （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（l04）式决定的椭圆，故称为椭圆偏振光。

四、课程设计步骤（流程图）

五．仿真结果分析 0i π0e (105)y m x y

x E E E E =000 x y E E E ==π 2 (135)m m ϕ==±±±L ／，，2220

x y E E E +=πi =e =i x y

E E ±±222200002cos sin (104)y y x x x y x y E E E E E E E E ϕϕ⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫+-= ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭

仿真截图:

三维仿真截图：

对于仿真出的图像分析可知对于线偏振光

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。

对于圆偏振光

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着，E 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。

对于椭圆偏振光，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

时，为右旋椭圆偏振光；

当 时，为左旋椭圆偏振光。

对于三维图的成像，主要是将图像的沿z 轴对xoy 平面投影来判断其为何偏振态。

五、仿真小结

在学习了偏振态的基本概念后，我们对本次实验的实验原理有了一个清晰的概念，通过设计程序，仿真结果，体会了线偏振光，圆偏振光，椭圆偏振光的不同和形成条件，对与其相关的概念也有了比以往更深层的认识。对光波偏振态有了进一步的的了解与认识，基本熟悉了matlab 的编程语法及作图操作，通过实际应用对光波偏振态有了更深一步的了解和认识，我掌握圆偏振、椭圆偏振及线偏振的概念及基本特性，以及偏振态的分析方法。

0i π0e (105)

y m x y x E E E E =πi =e i x y E E ±=±22π<<(2+1)πm m ϕ(21)π<<2πm m ϕ-

六、程序

c=3*10^8;

l=632.8*10^(-9);

f=c/l;

T=1/f;

w=2*pi*f;

k=w/c;

for m=0:1:7

a=0;

b=m*pi/4;

Eox=10;

Eoy=10;

t=0;

z=0:T*c/100:5*T*c;

Ex=Eox*cos(w*t-k*z+a); Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+b); subplot(2,4,m+1);

plot3(z,Ex,Ey);

end