光學(xué)課程設(shè)計(jì)光波在介質(zhì)中界面上的反射及透射特性的仿真

1、光學(xué)課程設(shè)計(jì)光波在介質(zhì)中界面上的反射及透射特性的仿真文件管理序列號(hào)：K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688西安郵電大學(xué)光學(xué)報(bào)告學(xué) 院:電子工程學(xué)生姓名：專業(yè)名稱：光信息科學(xué)與技術(shù)班 級(jí)：光信1103班光波在介質(zhì)中界面上的反射及透射特性的仿真一、課程設(shè)計(jì)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(wù)與要求與透射光*幅和相位的I及化;%5出變化曲線并總結(jié)規(guī)律分別計(jì)算反射光三、課程設(shè)計(jì)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(zhì) 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(gè)分量：一個(gè)平行于入射角，另一個(gè)垂直于入射角，對(duì)平面光波在電 介質(zhì)表面的反射和折射進(jìn)行分析，推導(dǎo)了菲涅爾公式，并結(jié)合MATLAB研 究光波從光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)，以及光波從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí) 的反射率、透射率、相位等隨入射角度的變換關(guān)系。同時(shí)對(duì)光波在不同 介質(zhì)中傳播時(shí)的特性變化進(jìn)行仿真研究，根據(jù)仿真結(jié)果分析了布魯斯特 角、全反射現(xiàn)象及相位變化的特點(diǎn)。有關(guān)各量的平行分量與垂直分量依 次用指標(biāo)P和s來表示，s分量、p分量和傳播方向三者構(gòu)成右螺旋關(guān) 系。假設(shè)界面上的入射光，反射光和折射光同相位，根據(jù)電磁場(chǎng)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(guān)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(guān)系1)光波由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)n1n2時(shí)，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(gè)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(nèi)，rpn2時(shí)，入射角在0_0c之間時(shí)，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(nèi)， rp0,說明反射光中的p分量相對(duì)入射光的p分量有一個(gè)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(shè)計(jì)步驟（流程圖）已知界面兩側(cè)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(jié)五、仿真結(jié)果分析折射光與入射光的相位關(guān)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(guān)系1）光波由光疏介質(zhì)射向光密介質(zhì)n1n2時(shí)，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(gè)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(nèi)，rpn2時(shí)，入射角在0_0c之間時(shí)，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(nèi)， rp0,說明反射光中的p分量相對(duì)入射光的p分量有一個(gè)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(jié)如果已知界面兩側(cè)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(jìn)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(jié) 果圖a繪出了按光學(xué)玻璃(n=1.5)和空氣界面計(jì)算，在n1n2(光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì))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(lán))，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.