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1、西安邮电大学专业课程设计报告书系部名称：光电子技术系学生姓名： 专业名称：光电信息工程班 级：光电1001班实习时间：2013年6月3日至2013年6月14日 内容1：光波偏振态的仿真【一】实验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；3.了解它们的区别和形成过程；4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j=0、j=p/4、j=p/2、j=3p/4、j=p、j=5p/4、j=3p/2、j=7p/4时，在Ex=Ey及Ex=2Ey情况下的偏振态曲线并总结规律。【二】实验原理平面光波是横电磁波，其光场矢量的振动方向与
2、光波传播方向垂直。一般情况下，在垂直平面光波传播方向的平面内，光场振动方向相对光传播方向是不对称的，广播性质随光场振动方向的不同而发生变化。将这种光振动方向相对光传播方向不对称的性质，成为光波的偏振特性。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，可将其偏振状态分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。设光波沿z方向传播，电场矢量为E=E0*cos(*t-*z+o)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=iEx+jEy 其中 Ex=E0x*cos(*t-*z+x) Ey=E0y*cos(*t-*z+y)将上二式中的变量t消去，经过运算可得(Ex/ E0
3、x)2+( Ey/E0y)2-2(Ex/ E0x)*(Ey/E0y)cos=(sin)2 （1式）式中，=y-x 。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆。根据上式，相位差和振幅比Ey/Ex的不同，决定了椭圆形状和空间取向不同，从而也就决定了光的不同振幅状态。实际上，线偏振态和圆偏振态都可以被认为是椭圆偏振态的特殊情况。当Ex、Ey二分量的相位差=m（m=0，1，2，）时，椭圆退化为一条直线，称为线偏振光。其传播方向上个点的光矢量都在同一个平面内。当Ex、Ey的振幅相等，相位差=m/2(m=1, 3, 5,)时，椭圆方程退化为原方程Ex2+Ey2=E02 则该光称为圆偏振光。在一般情
4、况下，光场矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向由（1式）决定的椭圆，故称为椭圆偏振光。【三】程序框图开始确定x，y，z轴的范围选取适当的t（在一个周期内）利用c=3*108，=2*c/，=2*/等公式，确定、值Ex=E0x*cos(*t-*z+x)Ey=E0y*cos(*t-*z+y)确定E0x、E0y值，得出Ex、Ey输入利用subplot建立子图=y-x，分别令=0、=p/4、=p/2、=3p/4、=p、=5p/4、=3p/2、=7p/4重复上一步计算利用plot函数显示三维或二维图像结束【四】实验结果及分析三维图：二维图：首先我们了解光的偏振态的合成与振幅和相位差有关，即相位差 和振幅比
5、Ey / Ex 的不同，决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而决定了光的不同偏振状态。如上图取得是Ex=2Ey 的不同相位时的偏振合成，当二者的相位差=m（m=0，1，2，）时合成为线偏振光，即第一幅图和第五幅图为线偏振光的图像，可以看出合成图为一条线。由于实验取得振幅不相等所以上图中不存在圆偏振光的合成图像，其他均为椭圆偏振光的合成图像。而椭圆的长、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2m(2m+1)时，为右旋椭圆偏振光；(2m-1)2m时，为左旋椭圆偏振光。或者还有另外一种方法：迎着光的传播方向看，若光矢量沿顺时针方向转动，称为右旋椭圆偏振光，反之称为左旋
6、的，这个方法也可以判断圆偏振光的旋向。如果把振幅改为Ex=Ey 进行仿真会发现只要相位差=m/2(m=1, 3, 5,)时，偏振合成为圆偏振光。此时改变值仿真结果会出现线偏振，圆偏振和椭圆偏振的合成图像。六、仿真小结本次仿真实验，做的是偏振光在不同的值和振幅下，绘制出相应的合成的偏振光。初次接触matlab这个软件，开始感觉很迷茫，不知道从哪下手。没办法，后来自己在图书馆借了几本书同时在网上下了电子版的教程，看着那么厚的书，自己告诉自己要耐心，慢慢弄，就自己一边看书一边在matlab最简单的文本框中实现一些最简单的程序。但是后来老师说这样也太慢了，要一边编程，一边学习。于是我就学着建立文本进行
7、仿真，同时在网上下了一点相关的资料。就仔细看她们的编程思路，把自己看不懂的语句查出来在旁边标记出来。在这样自己看懂几个程序之后，然后在书上找到自己所需要的方程和一些数据，就这样慢慢编程。在这个程序中最重要掌握的就是二位和三维图像显示即，subplot和plot函数，前者是在同一图面上建立各个子图，后者是确定子图的三维或者二维的表示形式。通过键入不同的的值，得出不同的合成光，再根据值和振幅的变化，得到不同偏向的椭圆偏振光、圆偏振光和线偏振光，加深对E=iEx+jEy的理解。 通过这次实验也让我了解到：l 光的偏振特性：首先我们知道可以根据空间任一点光电场的末端矢量在不同时刻的轨迹不同，可将其偏振
8、状态分为椭圆偏振光、圆偏振光和线偏振光；其次我们知道它们三者的特点和特性、表示。l 光的旋向的判断方法：迎着光的传播方向看，若光矢量沿顺时针方向转动，称为右旋偏振光，反之称为左旋的偏振光。l 光的偏振度：对于完全非偏振光偏振度为零；对于完全偏振光偏振度为1；一般的P值表示部分偏振光，P值愈接近1，光的偏振程度愈高。l 椭圆偏振光和圆偏振光的检测：当入射到检偏器上的光是圆偏振光或椭圆偏振光时，随着检偏器的转动，对于圆偏振光，其透射光强将和自然光的情况一样，光强不变化；对于椭圆偏振光，其透射光强的变化和检验部分偏振光是的情况一样。因此，仅用检偏器观察光强的变化，无法将圆偏振光和自然光区分开来；同样
9、也无法将椭圆偏振光和部分偏振光分开 内容2：双光束干涉的仿真【一】实验目的1.光的相干条件；2.分波阵面双光束干涉的特点。3.采用复色光，掌握时间相干性的概念4.任务与要求对双缝干涉进行计算，绘出1.单色光2.复色光（）白光的干涉条纹，总结双缝干涉的特点。【二】实验原理 S1、S2从来自S的光波波面上分割出很小的两部分作为相干光源，它们发出的光相遇形成干涉条纹。 n 狭缝S和双缝S1、S2都很窄，均可视为次级线光源。n 从线光源S发出的光波经SS1P和SS2P两条不同路径，在观察屏P点上相交，其光程差为 =(R2-R1)+(r2-r1)=R+r 近轴远场条件下：dD,且y在很小范围内两光束的相
10、位差为 n 讨论 如果S1、S2到S的距离相等，R=0，则对应j=2m(m=0,1,2,)的空间点 为光强极大，呈现干涉亮条纹；对应j =(2m+1)的空间点 为光强极小，呈现干涉暗条纹。 如图1 所示，在普通单色光光源后放一狭缝S，S 后又放有与S 平行且等距离的两平行狭缝S1 和S2 . 单色光通过两个狭缝S1，S2射向屏幕，相当于位置不同的两个同频率同相位光源向屏幕照射的叠合，由于到达屏幕各点的距离（光程）不同引起相位差，叠合的结果是在有的点加强，在有的点抵消，造成干涉现象1 d 为双缝的间隔，D 为屏幕到双狭缝平面的距离，y 为O 到P 的距离. 考虑两个相干光源到屏幕上任意点P 的距
11、离差为r1= D 2+（y-d2）2 （1）r2= D 2+（y+d2）2， （2）r=r2-r1 . （3）引起的相位差为=2 r/ . （4）设两束相干光在屏幕上P 点产生振幅相同，均为A0，则夹角为 的两个矢量A0 的合成矢量的幅度为A=2A0 cos（/2）. （5）光强B 正比于振幅的平方，故P 点光强为B=4B0 cos2（/2）. （6）【三】程序框图开 始由原理图可知两光束的光程:l1,l2 再求它们的光程差：phi=l2-l1=2*pi*(l2-l1)/Lambd根据光强与振幅的关系：I(i,j)=4*cos(phi/2)2由于观察光屏上的位置不同，所在的光强不一样，所以用p
12、lot输出绘出y轴与光强的变化曲线进一步用image绘制出双缝干涉条纹，并加上相应的颜色结 束【四】实验结果及分析a)b)c)d)如图a),b)分别是单色光的光强曲线和干涉条纹； c),d)分别是复色光的光强曲线和干涉条纹；（1）相邻明（暗）条纹中心间距； (2)双缝干涉条纹的特点: q 不太大时条纹等间距； 一系列平行的明暗相间的条纹； 中间级次低，两边级次高； 条纹间距与入射光的波长成正比(3) 可以看出单色干涉条纹的特点是：等亮度、等间距、明暗相间的条纹；其强度呈现周期性变化；（4）当是白光照射时（即复色光），由于干涉条纹的光强极值条件与波长有关，除了m=0的条纹仍是白光以外，其它级次的
13、干涉条纹均为不同颜色（对应着不同波长）分离的彩色条纹。即中央明纹是白色，其它明纹光谱：彩色光谱，内紫外红，光谱高级次重叠：高级次紫光低级次红光重叠； 也可以从强度曲线可以看出是衰减的（5）理论上干涉条纹有中间到两边条纹清晰度应是一样的，但是结果发现不论单色光还是复色光，从中间到两边越来越模糊，单色光是因为时间的相干性；复色光是色散的原因。（6）在波长、孔到屏的距离一定时，改变双缝距离，双缝间距越小，条纹越宽【五】总结 一开始做这个题目时，就是知道要通过振幅与光强的关系来着手，但是真的在化简的时候有一定的难度，就是先求出相位差，再根据光强正比于振幅的平方，假设两束光光强相等即:I1=I2再根据双
14、光束叠加在P点处的光强分布为 取=0，再根据半角公式和余弦定理可以转化成相位差和光强的关系，在查阅书籍和网络找一些二维显示和三维显示的一些应用程序，结果就出来了。但是在写程序的时候一不小心就会写错，有的是自己的语法错误，有的是自己不小心打错了，就像在编辑的时候一定不要出现中文的任何符号，否则出错之后不易检查出来。程序编好之后就给老师检查，老师当时问了几个问题，有一个就是为什么单色光和复色光的干涉条纹从中间到两边条纹越来越暗，我们一时没有回答上来，后来在老师的讲解下就知道了。后来翻阅了一下书籍知道是由于光的空间相干性和时间相干性造成的。等等这些问题让我感觉对光的相干性有一定系统的复习和了解，因为在实习做仿真的时候就是做到哪，看到哪，并没有系统的把它看完，后来在老师的提问下感觉很多都是相关的，在实验中掌握原理很重要，有时候不能太急功近
