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

1、西安邮电大学光学报告电子工程光信息科学与技术学院学生姓名专业名称光信1103班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n 1=1、门2=及ni =、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

2、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. 由着名的菲涅耳公式：rs=EOrs/EOis=-(tan 6 1-tan 6 2)/(ta

3、n 6 1+tan 6 2); rp=EOrp/EOip=(sin2 6 1-sin2 6 2)/ (sin2 6 1+sin2 6 2); ts=E0ts/E0is=2n1cos 6 1/n 1cos 6 1+n2cos 6 2; tp=E0tp/E0ip=2n1cos 6 1/n2cos 6 1+ n1cos 6 2;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n 1n2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n

4、的相位突变。而 p分量的反射系 数rp在B 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6 16 b的范围内，rpn2时，入射角在0_6 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6 1 6 b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n的相位突变，而在6 b 6 10,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）五、仿真结果分析n1n2 rs（红）rp（绿）ts （蓝）,tp （品红）随入射角st1的变化曲线st1(a) n1n23.52.5st1P(b)n1n43210010

5、2030405060708090st1(d)n3n401020304050607080st1901. 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n 1n2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n的相位突变。而p分量的反射系数rp在B 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616 b的范围内，rpn2时，入射角在0_6 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6 1 6

6、b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n的相位突变，而在6 b 6 10,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6 1，就可由折射定律确定折射角6 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=)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61的变化曲线七、程序St=li nspace(0,90,1000);st1= St.*pi./180;n1=1;n2=;st2=asi n(n 1.*si n(st1)./

7、n2);stb=ata n(n 2/n1);subplot(3,2,1);rs=-(ta n(st1)-ta n(st2)./(ta n(st1)+ta n( st2);plot(St,rs,r,L in eWidth,1);hold on;rp=(s in (2.*st1)-si n( 2.*s t2)./(s in (2.*st1)+si n(2.*s t2);plot(St,rp,g,Li neWidth,1);hold on;ts=(2.* n1.*cos(st1)./( n1.*cos(st1)+n2.*cos(s t2);plot(St,ts,b,L in eWidth,1);ho

8、ld on;tp=(2.* n1.*cos(st1)./( n2.*cos(st1)+n1.*cos(s t2);plot(St,tp,m,L in eWidth,1);hold on;frs=0;st1 的变化曲线 )STB=stb*180/pi; plot(STB,frs,-bo); hold on;hold on; frs=0; plot(St,frs,-k); xlabel(st1),ylabel(r,t);title(n1n4rs(红)，rp(绿)，ts (蓝)，tp (品红)随入射角n1=1;n2=;n=n2/n1;stb=atan(n2/n1);St=linspace(0,90,

9、1000); st1=St.*pi./180;subplot(3,2,3);for st1=0:pi/2000:pi/2st2=asin(n1.*sin(st1)./n2); rs=-(tan(st1)-tan(st2)./(tan(st1)+tan(st2);if rs0frs=pi;elsefrs=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

10、;St=linspace(0,stb,1000);st1=St.*pi./180;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=pi;elsefrp=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 st

11、2=asin(n1.*sin(st1)./n2); rp=(sin(2.*st1)-sin(2.*st2)./(sin(2.*st1)+sin(2.*st2); if rp0frp=pi;elsefrp=0;endend plot(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.*