西安邮电大学光学光波偏振态的仿真报告

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1、电子工程学院光学课程设计实验报告姓名：系部：光电子技术系专业：年级：学号：指导教师：地点：2号实验楼234时间：2015/12/21--2015/12/31光波偏振态的仿真一、实验目的通过对两相互垂直偏振态的合成1．掌握圆偏振、椭圆偏振及线偏振的概念及基本特性；2．掌握偏振态的分析方法。任务与要求：对两相互垂直偏振态的合成进行计算，绘出电场的轨迹。要求计算在j=0、j=p/4、j=p/2、j=3p/4、j=p、j=5p/4、j=3p/2、j=7p/4时，在Ex=Ey及Ex=2Ey情况下的偏振态曲线并总结规律二、

2、实验原理平面光波是横电磁波，其光场矢量的振动方向与光波传播方向垂直。一般情况下，在垂直平面光波传播方向的平面内，光场振动方向相对光传播方向是不对称的，光波性质随光场振动方向的不同而发生变化。将这种光振动方向相对光传播方向不对称的性质，称为光波的偏振特性。它是横波区别于纵波的最明显标志。1)光波的偏振态根据空间任一点光电场E的矢量末端在不同时刻的轨迹不同，其偏振态可分为线偏振、圆偏振和椭圆偏振。设光波沿z方向传播，电场矢量为为表征该光波的偏振特性，可将其表示为沿x、y方向振动的两个独立分量的线性组合，即其中将上

3、二式中的变量t消去，经过运算可得式中，φ=φy-φx。这个二元二次方程在一般情况下表示的几何图形是椭圆，如图1-1所示。图1-1椭圆偏振诸参量在上式中，相位差φ和振幅比Ey/Ex的不同，决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而也就决定了光的不同偏振状态。图1-2画出了几种不同φ值相应的椭圆偏振态。实际上，线偏振态和圆偏振态都可以被认为是椭圆偏振态的特殊情况。图1-2不同j值相应的椭圆偏振(1)线偏振光当Ex、Ey二分量的相位差φ=mπ(m=0,±1,±2，…)时，椭圆退化为一条直线，称为线偏振光。此时有当m为零或偶

4、数时，光振动方向在Ⅰ、Ⅲ象限内；当m为奇数时，光振动方向在Ⅱ、Ⅳ象限内。由于在同一时刻，线偏振光传播方向上各点的光矢量都在同一平面内，因此又叫做平面偏振光。通常将包含光矢量和传播方向的平面称为振动面。(2)圆偏振光当Ex、Ey的振幅相等(E0x=E0y=E0)，相位差φ=mπ/2(m=±1,±3,±5…)时，椭圆方程退化为圆方程该光称为圆偏振光。用复数形式表示时，有式中，正负号分别对应右旋和左旋圆偏振光。所谓右旋或左旋与观察的方向有关，通常规定逆着光传播的方向看，E为顺时针方向旋转时，称为右旋圆偏振光，反之，

5、称为左旋圆偏振光。(3)椭圆偏振光在一般情况下，光场矢量在垂直传播方向的平面内大小和方向都改变，它的末端轨迹是椭圆，故称为椭圆偏振光。在某一时刻，传播方向上各点对应的光矢量末端分布在具有椭圆截面的螺线上(图1-3)。椭圆的长、短半轴和取向与二分量Ex、Ey的振幅和相位差有关。其旋向取决于相位差φ：当2mπ＜φ＜(2m+1)π时，为右旋椭圆偏振光；当(2m-1)π＜φ＜2mπ时，为左旋椭圆偏振光。图1-3椭圆偏振光二、程序流程图开始显示图像，结束程序画出二维图像：subplot(4,4,n);n=n+1;plot

6、(Ex,Ey);循环计算;Fy=0:pi/4:7*pi/4Ex=Eox*cos(w*t-k*z);Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+Fy);定义c、lamd、w、k、Eox=5、Eoy=10、t、z、i=1、n=9画出三维图像：subplot(4,4,i);i=i+1;plot3(Ex,Ey,z);循环计算：Fy=0:pi/4:7*pi/4;Ex=Eox*cos(w*t-k*z);Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+Fy);二、结果分析  由理论知识可以知道光的偏振态的合成与振幅和相位差有关，即相位差ψ和

7、振幅比Ey/Ex的不同，决定了椭圆形状和空间取向的不同，从而决定了光的不同偏振状态。 如上图取得是2Ex=Ey 的不同相位时的偏振合成，当二者的相位差ψ=mπ（m=0，±1，±2，…）时合成为线偏振光，即第一幅图和第五幅图为线偏振光的图像，可以看出合成图为一条线。而椭圆的长、短半轴和取向与二分量Ex、Ey的振幅和相位差有关，其旋向取决于相位差ψ：当2mπ<ψ<(2m+1)π时，为右旋椭圆偏振光；(2m-1)π<ψ<2mπ时，为左旋椭圆偏振光。第二种方法：迎着光的传播方向看，若光矢量沿顺时针方向转动，称为右旋椭圆

8、偏振光，反之称为左旋的，这个方法也可以判断圆偏振光的旋向。如果把振幅改为Ex=Ey进行仿真会发现只要相位差ψ=mπ/2(m=±1, ±3, ±5,…)时，偏振合成为圆偏振光。此时ψ值仿真结果会出现线偏振，圆偏振和椭圆偏振的合成图像。思考题 1.说明偏振的定义；  答：光场的振动方向相对光的传播方向的不对称性叫光的偏振。 为什么圆偏振2.椭圆和线偏振是完全偏振光？    答：应为它们 3