光的偏振态仿真
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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
****:**
学生姓名:xx
班级:科技1001
学号:******xx(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==±±,,,
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==±±±/,,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