XX邮电大学光学报告学院：电子工程学生姓名：专业名称：光信息科学与技术班 级：光信1103班8 / 8. 光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真一、课程设计目的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二、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、课程设计原理 根据麦克斯韦电磁理论,利用电矢量和磁矢量来分析光波在两介质表面的反射特性,把平面光波的入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量：一个平行于入射角,另一个垂直于入射角,对平面光波在电介质表面的反射和折射进行分析,推导了菲涅尔公式,并结合MATLAB研究光波从光疏介质进入光密介质,以及光波从光密介质进入光疏介质时的反射率、透射率、相位等随入射角度的变换关系同时对光波在不同介质中传播时的特性变化进行仿真研究,根据仿真结果分析了布鲁斯特角、全反射现象及相位变化的特点有关各量的平行分量与垂直分量依次用指标p和s来表示,s分量、p分量和传播方向三者构成右螺旋关系。
假设界面上的入射光,反射光和折射光同相位,根据电磁场的边界条件及S分量,P分量的正方向规定,可得Eis+Ers=Ets.由著名的菲涅耳公式： rs=E0rs/E0is=-/;rp=E0rp/E0ip=/ ;ts=E0ts/E0is=2n1cosθ1/n1cosθ1+n2cosθ2;tp=E0tp/E0ip=2n1cosθ1/n2cosθ1+n1cosθ2;反射与折射的相位特性1.折射光与入射光的相位关系S分量与P分量的透射系数t总是取正值,因此,折射光总是与入射光同相位2.反射光与入射光的相位关系 1光波由光疏介质射向光密介质n10,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位相同；在θ1>θb的范围内,rp<0,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量有一个π的相位突变 2光波由光密介质射向光疏介质 n 1>n2时,入射角在0_θc之间时,rs>0,说明反射光中的s分量与入射光的s分量的相位相同。
p分量的反射系数rp在θ1<θb范围内,rp<0,说明反射光中的p分量相对入射光的p分量有一个π的相位突变,而在θb<θ1<θc范围内,rp>0,说明反射光中的p分量与入射光的中的p分量相位相同四、课程设计步骤〔流程图开 始已知界面两侧的折射率n1,n2和入射角θ1,就可由折射定律确定折射角θ2由菲涅耳公式求出反射系数和透射系数用plot输出绘出反射系数与透射系数岁入射角θ1变化的曲线判断反射系数透射系数rp,rs分别在n1n2情况下是否小于0从而得出相位变化关系用plot输出绘出相位与入射角的变化曲线结 束五、仿真结果分析1.折射光与入射光的相位关系S分量与P分量的透射系数t总是取正值,因此,折射光总是与入射光同相位2.反射光与入射光的相位关系 1光波由光疏介质射向光密介质n10,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位相同；在θ1>θb的范围内,rp<0,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量有一个π的相位突变 2光波由光密介质射向光疏介质 n 1>n2时,入射角在0_θc之间时,rs>0,说明反射光中的s分量与入射光的s分量的相位相同。
p分量的反射系数rp在θ1<θb范围内,rp<0,说明反射光中的p分量相对入射光的p分量有一个π的相位突变,而在θb<θ1<θc范围内,rp>0,说明反射光中的p分量与入射光的中的p分量相位相同六、仿真小结如果已知界面两侧的折射率n1,n2和入射角θ1,就可由折射定律确定折射角θ2,进而可由上面的菲涅耳公式求出反射系数和透射系数仿真结果图a绘出了按光学玻璃〔n=1.5和空气界面计算,在n1和n1>n2<光由光密介质射向光疏介质>两种情况下,反射系数,透射系数岁入射角θ1的变化曲线七、程序St=linspace<0,90,1000>;st1=St.*pi./180;n1=1;n2=1.52;st2=asin./n2>;stb=atan;subplot<3,2,1>;rs=--tan>./+tan>;plot;hold on;rp=-sin<2.*st2>>./+sin<2.*st2>>;plot;hold on;ts=<2.*n1.*cos>./+n2.*cos>;plot;hold on;tp=<2.*n1.*cos>./+n1.*cos>;plot;hold on;frs=0;STB=stb*180/pi;plot;hold on;hold on;frs=0;plot;xlabel<'st1'>,ylabel<'r,t'>;title<'n1,rp<绿>,ts〔蓝,tp〔品红随入射角st1的变化曲线'>n3=1.52;n4=1;stc=asin;stc=stc.*180/pi;st=atan;St=0:0.001:stc;st3=St.*pi./180;st4=asin./n4>;subplot<3,2,2>; rs=--tan>./+tan>;plot;hold on;rp=-sin<2.*st4>>./+sin<2.*st4>>;plot;hold on;ts=<2.*n3.*cos>./+n4.*cos>;plot;hold on;tp=<2.*n3.*cos>./+n3.*cos>;plot;hold on;St=stc:0.001:90;rp=1;plot;hold on;rs=1;plot;hold on;ts=0;plot;hold on;tp=0;plot;hold on;frs=0;ST=st*180/pi;plot;hold on;frs=0;plot;hold on;frs=0;plot;xlabel<'st1'>,ylabel<'r,t'>;title<'n3>n4 rs<红>,rp<绿>,ts〔蓝,tp〔品红随入射角st1的变化曲线'>n1=1;n2=1.52;n=n2/n1;stb=atan; St=linspace<0,90,1000>;st1=St.*pi./180;subplot<3,2,3>;for st1=0:pi/2000:pi/2 st2=asin./n2>; rs=--tan>./+tan>; if rs<0 frs=pi; else frs=0; endendhold on;STB=stb*180/pi;plot;hold on;plot;hold on;xlabel<'st1'>,ylabel<'frs'>;title<'〔an1stb=stb*180/pi;St=linspace<0,stb,1000>;st1=St.*pi./180;subplot<3,2,4>;for st1=0:stb/1000:stb st2=asin./n2>; rp=-sin<2.*st2>>./+sin<2.*st2>>; if rp<0 frp=pi; else frp=0; endendplot;hold on;St=linspace;st1=St.*pi./180;for st1=stb:/1000:pi/2 st2=asin./n2>; rp=-sin<2.*st2>>./+sin<2.*st2>>; if rp<0 frp=pi; else frp=0; endendplot;hold on;frp=0;plot;xlabel<'st1'>,ylabel<'frp'>;title<'〔bn1n3=1.52;n4=1;m=n4/n3;stc=asin;stc=stc*180/pi;St=linspace<0,stc,1000>;st3=St.*pi./180;subplot<3,2,5>;frs=0;plot;hold on;St=linspace;st3=St.*pi./180;frs=2.*atan<<.*sin-m.*m>>.^<1/2>./cos>;plot