光课程设计汇本光波在介质中界面上的反射与透射特性的仿真

1、邮电大学光学报告学院：电子工程学生：专业名称：光信息科学与技术班级：光信1103班设计名称：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ni=1、n2=1.52及ni=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、课程设计原理光在介质界面上的反射和折射特性与电矢量的振动方向密切相关。由于平面光波的横波特性，电矢量可在垂直传播方向的平面的任意方向上振动，而它总可以 分解成垂直于入射面振动的分量和平行

2、于入射面振动的分量，一旦这两个分量的反射、折射特性确定，那么任意方向上的振动的光的反射、折射特性也即确定。菲涅耳公式就是确定这两个振动分量反射、折射特性的定量关系式。(1) s分量和p分量垂直入射面的振动分量-s分量平行入射面的振动分量-p分量定义：s分量、p分量的反射系数、透射数分别为2反射系数和透射系数定义：s分量、p分量的反射系数、透射系数分别为sdn（ §：-久）_ 理i cos 纵- cos 血（£ 亠冬 fi 少弓 兔+ W-. cos兔Ian £ - tanuli 亠 Lni 黑- 亠5tan（用cos-卅l cosran（沖十 £：） 跑

3、：cos-珥 cos 於：3菲涅耳公 式好m- win 2台2h? cos 耳?r eos m cossin ；趴 4 sin 22=Eg -九 比 血（q+®&爭2cos_2n oosE站 SX 十乱）COS0!-旳 咛 CDS0十 n COSi界面两侧的折射率® 和入射角日，就可由折射定律确定折射角;进而可由 菲涅耳公式求出反射系数和透射系数。绘出如下按光学玻璃 n=1.5和空气界 面计算，在 =!光由光疏介质射向光密介质和 丄口 光由光密介质 射向光疏介质两种情况下，反射系数、透射系数随入射角的变化曲线。（a）光由光疏介质射向光密介质（b）光由光密介质射向光疏

4、介反射光与入射光中s,p分量的相位关系：1nlvn2时，光疏入射光密s分量的反射系数勺:反射光中的s分量与入射光中的s分量相位相反；反射光中的s分量相对入射光中的s分量存在一个|回|相位突变（=）;p分量的反射系数列：在日 囚围，耳 0,反射光中的p分p量与入射光中的分量相位一样（占=0）;在目 因围，勺0,反射光中的p分量相对入射光中的 p分量有n相位突变（I =）；2n1n2时，光密入射光疏s分量的反射系数勺:入射角在0到凶（临界角， I I 的围，s分量的反射系数0。反 射光中的s分量与入射光中的s分量同相位，蚪=0;入射角日 彳时，发生全反射，11上p分量的反射系数列：在日 目围，列0

5、,反射光中的p分量相对入射光中的p分量有n相位突变凶二）;在目11凶围，* 0,反射光中的p分量与入射光中的p分量相位一样（田=0）；入射角 彳时，发生全反射，II；四、课程设计步骤流程图矯出叫晦卞気疑JS AWal的娈化曲绒输出rs, rs, ts_.戈巨随 入射甬al的变叱曲线定义自变童曲，a込临定义.自变量al, a2j习界角曲写出出 rs5 rs，住，超表达rcj rst讥薛込(1)定义变量n1,n2,f1.(2) 给变量赋值，其中n1=1,n2=1.52还有一种情况其中n仁 1.52, n2=1(3) 设计for循环，使fl每循环一次加/1000,实现在fl每变化一次下，得出相应的反

6、射系数，透射系数的值，从而得出程序的循环4根据程序仿真结果五、仿真结果分析n1<n2s/分量与相位的关系Fn1>n2s/分量与相位的关系4F结论：光在介质面上的反射、透射特性有三个因素决定：入射光的偏振态，入射 角，界面两侧介质的折射率。(1)光波由光疏介质射向光密介质n1< n2a. n 1<n2时，反射系数rs<0,说明反射光中的s分量与入射光中的s分量相位相反。 (即 frs=)b. 而p分量的反射系数rp在flvfb围，rp>0,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位一样。即frp=0c. 在f1>fb围，rp<0,说明反射光中的p分

7、量与入射光中的p分量 相位突变。即 frp=(2)光波由光密介质射向光疏介质n1> n2a. 入射角fl在0到fc的围，s分量的反射系数rs>0,说明反射光中s分量与入射 光中的s分量同相位。即frs=0b. P分量的反射系数rp在flvfb围，rp<0,说明反射光中的p分量相对入射光中 的p分量有 相位突变。即frp=c. 在fbvflvfc围，rp>0,说明反射光中的p分量与入射光中的p分量相位一样。六、仿真小结1入射光的偏振态；2光在介质界面上的反射、透射特性由三个因素决定: 入射角；3界面两侧介质的折射率。由rs、rp、ts、tp随入射角的变化曲线 可知，在入射

8、角从0度到90度的变化围，不管光波以什么角度入射至界面， 也不管界面两侧折射率大小如何，s分量和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。通过本次实验，掌握了反射系数及透射系数的 概念，反射光与透射光振幅和相位的变化规律， 布儒斯特角和全反射临界角的概 念。七、程序 clear all;%n 1=1;%n 2=1.52;n1=1.52;n2=1;n=n 2./n1;if n1< n2subplot(1,3,1)qa=0:pi/100:pi/2;qb=as in(n 1.*s in( qa)./n2);rs=-s in( qa-qb)./s in( qa+qb);rp

9、=ta n(qa-qb)./ta n(qa+qb);ts=2.*cos(qa).*s in (qb)./si n(qa+qb);tp=2.*cos(qa).*si n(qb)./si n(qa+qb)./cos(qa-qb); plot(qa*180./pi,rs,'r',qa*180./pi,rp,'c',qa*180./pi,ts,'b',qa*180./pi,tp,'g') lege nd('rs','rp','ts','tp')%rssubplot(1,3,2

10、)for qa=0:pi/1000:pi/2qb=as in(n 1.*s in( qa)./n2);rs=-si n( qa-qb)./si n( qa+qb);if rs<=0Frs=pi;elseFrs=0;endplot(qa*180./pi,Frs,'r')hold onendlege nd('Frs')%rpsubplot(1,3,3)for qa=0:pi/1000:pi/2qb=as in(n 1.*s in( qa)./n2);rp=ta n(qa-qb)./ta n(qa+qb);if rp<=0Frp=pi;elseFrp=0;

11、endplot(qa*180./pi,Frp,'b')hold onendlege nd('Frp')elsesubplot(1,3,1)qc=as in(n 2./n1);qa=0:0.0001:qc;qb=as in(n 1.*s in( qa)./n2);rs=-si n( qa-qb)./si n( qa+qb);rp=ta n(qa-qb)./ta n(qa+qb);ts=2.*cos(qa).*si n(qb)./si n(qa+qb);tp=2.*cos(qa).*si n(qb)./si n(qa+qb)./cos(qa-qb);plot(qa*

12、180./pi,rs,'r',qa*180./pi,rp,'c',qa*180./pi,ts,'b',qa*180./pi,tp,'g') hold onqa=qc:0.0001:pi/2;tp=0;ts=0;rs=1;rp=1;plot(qa*180./pi,rs,'r',qa*180./pi,rp,'c',qa*180./pi,ts,'b',qa*180./pi,tp,'g') hold onlege nd('rs','rp',&#

13、39;ts','tp')%rsqc=as in(n 2./n1);subplot(1,3,2)for qa=0:pi/1000:qcqb=as in(n 1.*s in( qa)./n2);rs=-si n( qa-qb)./si n( qa+qb);if rs<=0Frs=pi;elseFrs=0;endplot(qa*180./pi,Frs,'r')hold onendqa=qc:pi/1000:pi/2;Frs= 2.*ata n(sqrt(si n( qa)42-( n. A2)./cos(qa);plot(qa*180./pi,Frs,'r')hold onlege nd('Frs')%rpsubplot(1,3,3)for qa=0:pi/1000:qc;qb=as in(n 1.*s in( qa)./n2);rp=ta n( qa-qb)./ta n( qa+qb);if