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。