光学课程设计 光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真 (2).doc

西安邮电大学 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 9 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=-(tan1-tan2)/(tan1+tan2);rp=E0rp/E0ip=(sin21-sin22)/ (sin21+sin22);ts=E0ts/E0is=2n1cos1/n1cos1+n2cos2;tp=E0tp/E0ip=2n1cos1/n2cos1+n1cos2;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n1n2时，反射系数rs0,说明反射光中的s分量与入射光中的s分量相位相反，即存在一个的相位突变。而p分量的反射系数rp在10,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位相同；在1b的范围内，rpn2时，入射角在0_c之间时，rs0,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1b范围内，rp0,说明反射光中的p分量相对入射光的p分量有一个的相位突变，而在b10,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1，就可由折射定律确定折射角2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1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n1n2时，反射系数rs0,说明反射光中的s分量与入射光中的s分量相位相反，即存在一个的相位突变。而p分量的反射系数rp在10,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位相同；在1b的范围内，rpn2时，入射角在0_c之间时，rs0,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1b范围内，rp0,说明反射光中的p分量相对入射光的p分量有一个的相位突变，而在b10,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1，就可由折射定律确定折射角2，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n1n2(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1的变化曲线七、程序St=linspace(0,90,1000);st1=St.*pi./180;n1=1;n2=1.52;st2=asin(n1.*sin(st1)./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);hold on;tp=(2.*n1.*cos(st1)./(n2.*cos(st1)+n1.*cos(st2);plot(St,tp,m,LineWidth,1);hold on;frs=0;STB=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(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(n2/n1); St=linspace(0,90,1000);st1=St.*pi./180;subplot(3,2,3);for st1=0:pi/2000:pi/2 st2=asin(n1.*sin(st1)./n2); rs=-(tan(st1)-tan(st2)./(tan(st1)+tan(st2); if rs0 frs=pi; else frs=0; endendhold on;STB=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=stb*180/pi;St=linspace(0,stb,1000);st1=St.*pi./180;subplot(3,2,4);for st1=0:stb/1000:stb st2=asin(n1.*sin(st1)./n2); rp=(sin(2.*st1)-sin(2.*st2)./(sin(2.*st1)+sin(2.*st2); if rp0 frp=pi; else frp=0; endendplot(St,frp,r,LineWidth,1);hold on;St=linspace(stb,90,1000);st1=St.*pi./180;for st1=stb:(pi/2-stb)/1000:pi/2 st2=asin(n1.*sin(st1)./n2); rp=(sin(2.*st1)-sin(2.*st2)./(sin(2.*st1)+sin(2.*st2); if rp0 frp=pi; else frp=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=stb*180/pi;St=linspace(0,stb,1000);st3=St.*pi./180;subplot(3,2,6);frp=pi;plot(St,frp,b,LineWidth,1);hold on;stc=asin(n4/n3);stc=stc*180/pi;St=linspace(stb,stc,1000);frp=0;plot(St,frp,b,LineWidth,1);hold on;St=linspace(stc,90,1000);st3=St.*pi./180;frp=2.*a