光學課程設計光波在介質中界面上的反射及透射特性的仿真

1、光學課程設計光波在介質中界面上的反射及透射特性的仿真文件管理序列號：K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688西安郵電大學光學報告學 院:電子工程學生姓名：專業(yè)名稱：光信息科學與技術班 級：光信1103班光波在介質中界面上的反射及透射特性的仿真一、課程設計目的掌握反射系數(shù)及透射系數(shù)的概念；掌握反射光與透射光振幅和相位的變化規(guī)律；掌握布儒斯特角和全反射臨界角的概念。二、任務與要求與透射光*幅和相位的I及化;%5出變化曲線并總結規(guī)律分別計算反射光三、課程設計原理根據(jù)麥克斯韋電磁理論，利用電矢量和磁矢量來分析光波在兩介質 表面的反射特性，把平面光波的入射波、反射波和折射波的電矢量

2、分成 兩個分量：一個平行于入射角，另一個垂直于入射角，對平面光波在電 介質表面的反射和折射進行分析，推導了菲涅爾公式，并結合MATLAB研 究光波從光疏介質進入光密介質，以及光波從光密介質進入光疏介質時 的反射率、透射率、相位等隨入射角度的變換關系。同時對光波在不同 介質中傳播時的特性變化進行仿真研究，根據(jù)仿真結果分析了布魯斯特 角、全反射現(xiàn)象及相位變化的特點。有關各量的平行分量與垂直分量依 次用指標P和s來表示，s分量、p分量和傳播方向三者構成右螺旋關 系。假設界面上的入射光，反射光和折射光同相位，根據(jù)電磁場的邊界 條件及S分量，P分量的正方向規(guī)定，可得Eis+Ers=Ets.由著名的菲涅耳

3、公式：rs=E0rs/E0is=-(tan 0 1-tan 0 2)/(tan。1+tan。2);rp=E0rp/E0ip=(sin2 0 1-sin2 0 2)/ (sin2 0 1+sin2 0 2); ts=E0ts/E0is=2n1cos 0 1/n1cos 0 1+n2cos 0 2;tp=E0tp/E0ip=2n1cos 0 1/n2cos 0 1+n1cos 0 2;反射與折射的相位特性折射光與入射光的相位關系S分量與P分量的透射系數(shù)t總是取正值，因此，折射光總是與入射光 同相位。反射光與入射光的相位關系1)光波由光疏介質射向光密介質n1n2時，反射系數(shù)rs0,說明反射光中的s分

4、量與入射光中的s分量 相位相反，即存在一個n的相位突變。而p分量的反射系數(shù)rp在0 10,說明反射光中的p分量與入射光中的p分量相位相 同；在0 19 b的范圍內，rpn2時，入射角在0_0c之間時，rs0,說明反射光中的s分量與入 射光的s分量的相位相同。p分量的反射系數(shù)rp在010b范圍內， rp0,說明反射光中的p分量相對入射光的p分量有一個n的相位突變， 而在0b010,說明反射光中的p分量與入射光的中的 p分量相位相同。四、課程設計步驟（流程圖）已知界面兩側的折射率n1,n2和入射角01，就可由折射定律確定折射角0 2由菲涅耳公式求出反射系數(shù)和透射系數(shù)用plot輸出繪出反射系數(shù)與透射

5、系數(shù)歲入射角0 1判斷反射系數(shù)透射系數(shù)rp,rs分別在n1n2情用plot輸出繪出相位與入射角的變化曲線結五、仿真結果分析折射光與入射光的相位關系S分量與P分量的透射系數(shù)t總是取正值，因此，折射光總是與入射光 同相位。反射光與入射光的相位關系1）光波由光疏介質射向光密介質n1n2時，反射系數(shù)rs0,說明反射光中的s分量與入射光中的s分量 相位相反，即存在一個n的相位突變。而p分量的反射系數(shù)rp在0 10,說明反射光中的p分量與入射光中的p分量相位相同；在0 10b的范圍內，rpn2時，入射角在0_0c之間時，rs0,說明反射光中的s分量與入 射光的s分量的相位相同。p分量的反射系數(shù)rp在0 1

6、0b范圍內， rp0,說明反射光中的p分量相對入射光的p分量有一個n的相位突變， 而在0b010,說明反射光中的p分量與入射光的中的 p分量相位相同。六、仿真小結如果已知界面兩側的折射率n1,n2和入射角0 1，就可由折射定律確定折 射角0 2,進而可由上面的菲涅耳公式求出反射系數(shù)和透射系數(shù)。仿真結 果圖a繪出了按光學玻璃(n=1.5)和空氣界面計算，在n1n2(光由光密介質射向光疏介質)兩種情況下， 反射系數(shù)，透射系數(shù)歲入射角0 1的變化曲線七、程序St=linspace(0,90,1000);st1二St.*pi./180;n1=1;n2=1.52;st2=asin(n1.*sin(st1

7、)./n2);stb=atan(n2/n1);subplot(3,2,1);rs=-(tan(st1)-tan(st2)./(tan(st1)+tan(st2);plot(St,rs,r,LineWidth,1);hold on;rp=(sin(2.*st1)-sin(2.*st2)./(sin(2.*st1)+sin(2.*st2);plot(St,rp,g,LineWidth,1);hold on;ts=(2.*n1.*cos(st1)./(n1.*cos(st1)+n2.*cos(st2);plot(St,ts,b,LineWidth,1);tp=(2.*n1.*cos(st1)./(n

8、2.*cos(st1)+n1.*cos(st2);plot(St,tp,m,LineWidth,1);hold on;frs=0;STB二stb*180/pi;plot(STB,frs,-bo);hold on;hold on;frs=0;plot(St,frs,-k);xlabel(st1),ylabel(r,t);title(n1n4 rs(紅)，rp(綠)，ts (藍)，tp (品紅)隨入射角 st1 的變化曲線)n1=1;n2=1.52;n=n2/n1;stb=atan(n2/n1);St=linspace(0,90,1000);st1二St.*pi./180;subplot(3,2,

9、3);for st1=0:pi/2000:pi/2st2二asin(n1.*sin(st1)./n2);rs=-(tan(st1)-tan(st2)./(tan(st1)+tan(st2);if rs0frs=pi;elsefrs=0;endendhold on;STB二stb*180/pi;plot(STB,frs,-bo);hold on;plot(St,frs,r,LineWidth,1);hold on;xlabel(st1),ylabel(frs);title(a)n1n2)stb二stb*180/pi;St=linspace(0,stb,1000);st1二St.*pi./180;

10、subplot(3,2,4);for st1=0:stb/1000:stbst2=asin(n1.*sin(st1)./n2);rp=(sin(2.*st1)-sin(2.*st2)./(sin(2.*st1)+sin(2.*st2);if rp0frp二pi;elsefrp=0;end endplot(St,frp,r,LineWidth,1);hold on;St=linspace(stb,90,1000);st1二St.*pi./180;for st1=stb:(pi/2-stb)/1000:pi/2st2=asin(n1.*sin(st1)./n2);rp=(sin(2.*st1)-s

11、in(2.*st2)./(sin(2.*st1)+sin(2.*st2);if rp0frp二pi;elsefrp=0;endendplot(St,frp,r,LineWidth,1);hold on;frp=0;plot(stb,frp,-bo);xlabel(st1),ylabel(frp);title(b)n1n4)stb=atan(n4/n3);stb二stb*180/pi;St=linspace(0,stb,1000);st3二St.*pi./180;subplot(3,2,6);frp二pi;plot(St,frp,b,LineWidth,1);hold on;stc=asin(n4/n3);stc二stc*180/pi;St=linspace(stb,stc,1000);frp=0;plot(St,frp,b,LineWidth,1);hold on;St=linspace(stc,90,1000);st3二St.*pi./180;frp=2.