matlab 課程設(shè)計(jì)

1、西安郵電大學(xué)專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書系部名稱：光電子技術(shù)系學(xué)生姓名： 張娟娟（05114093）專業(yè)名稱：光電信息工程班 級(jí)：光電1103班實(shí)習(xí)時(shí)間：2014年6月16日至2014年6月27日 23專業(yè)課程設(shè)計(jì)報(bào)告光波偏振態(tài)的仿真【一】 項(xiàng)目需求分析 對(duì)兩相互垂直偏振態(tài)的合成進(jìn)行計(jì)算，繪出電場(chǎng)的軌   跡。要求計(jì)算在j=0、=/4、=/2、=3/4、=、=5/4、=3/2、=7/4時(shí)，在Ex=Ey及Ex=2Ey情況下的偏振態(tài)曲線并總結(jié)規(guī)律。【二】 實(shí)施方案及原理和本人承擔(dān)的工作1. 了解實(shí)驗(yàn)原理2. 構(gòu)思matlab程序設(shè)計(jì)思路3. 設(shè)計(jì)程序4. 調(diào)試及分析仿真結(jié)果原理

2、： 根據(jù)空間任一點(diǎn)光電場(chǎng) E 的矢量末端在不同時(shí)刻的軌跡不同，其偏振態(tài)可分： 線偏振、圓偏振和橢圓偏振。 設(shè)光波沿 z 方向傳播，電場(chǎng)矢量為E= E0(COSt - kz + 0)為表征該光波的偏振特性，可將其表示為沿 x、y 方向振動(dòng)的兩個(gè)獨(dú)立分量的線性組合，即 E= iEx + jEy 其中：Ex = E0x( cos t - kz + x)Ey = E0y cos (t -kz + y)將上二式中的變量 t 消去，經(jīng)過(guò)運(yùn)算可： （Ex/ Eox）2+ ( Ey/ + E0y )2-2( Ex/ E0x) ( Ey/E0y ) +cos= sin2式中, = y -x 這個(gè)二元二次方程在一

3、般情況下表示的幾何圖形是橢圓。相位差和振幅比Ey/E x 的不同，決定了橢圓形狀和空間取向的不同，從而就決定了光的不同偏振態(tài)。實(shí)際上， 線偏振態(tài)和圓偏振態(tài)都是橢圓偏振態(tài)的特殊情況。 本人主要承擔(dān)程序的設(shè)計(jì)與編碼，通過(guò)與搭檔的溝通和交流理解程序設(shè)計(jì)原理，梳理出代碼編寫的邏輯和結(jié)構(gòu)，編寫代碼并進(jìn)行多次調(diào)試【三】 程序框圖開(kāi)始定義變量c,l,T,t,z,w,k,Eox,Eoy,a=0,b=0b=0:pi/4:7*pi/4b=b+/4Ex=Eox*cos(w*t-k*z+a)Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+b)顯示二維圖像Plot3（Ex,Ey）yesno【四】 實(shí)驗(yàn)結(jié)果1) 線偏振光 當(dāng)Ex

4、、Ey 二分量的相位差 = m(m = 0, ±1, ±2, ? )時(shí)，橢 Ey x 圓退化為一條直線，稱為線偏振光。此時(shí)有( Ey/ Ey )= ( E0y/ E0x)eim2) 圓偏振光 當(dāng)Ex 、Ey 的振幅相等 E0x = E0y = E0 ，相位差 = m/ 2 (m = ±1, ±3, ±5 )時(shí)，橢圓方程退化為圓方程Ex 2 + Ex 2 = E0 該光稱為圓偏振光。3) 橢圓偏振光 在一般情況下，光矢量在垂直傳播方向的平面內(nèi)大小和 方向都在改變，它的 末端軌跡是由（Ex/ Eox）2+ ( Ey/ + E0y )2-2( Ex/

5、 E0x) ( Ey/E0y ) cos= sin2 式?jīng)Q定的橢圓，故稱為橢圓偏振光?！疚濉吭O(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期有差距，圖像混為一團(tuán)無(wú)法觀察，通過(guò)多次改變相應(yīng)變量的取值，順利解決了此問(wèn)題?！玖繉I(yè)課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)在學(xué)習(xí)了偏振態(tài)的基本概念后，我們對(duì)本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理有了一個(gè)清晰的概念，通過(guò)設(shè)計(jì)程序，仿真結(jié)果，體會(huì)了線偏振光，圓偏振光，橢圓偏振光的不同和形成條件，對(duì)與其相關(guān)的概念也有了比以往更深層的認(rèn)識(shí)。對(duì)光波偏振態(tài)有了進(jìn)一步的的了解與認(rèn)識(shí)，基本熟悉了matlab的編程語(yǔ)法及作圖操作，通過(guò)實(shí)際應(yīng)用對(duì)光波偏振態(tài)有了更深一步的了解和認(rèn)識(shí)，我掌握?qǐng)A偏振、橢圓偏振及線偏振的概念及

6、基本特性，以及偏振態(tài)的分析方法。.雙光束干涉的仿真【一】 項(xiàng)目需求分析 雙縫干涉進(jìn)行計(jì)算，繪出1.單色光2.復(fù)色光3.的干涉條紋，總結(jié)雙縫干涉的特點(diǎn)?！径?實(shí)施方案及其原理和本人承擔(dān)的工作a) 了解實(shí)驗(yàn)原理b) 構(gòu)思matlab程序設(shè)計(jì)思路c) 設(shè)計(jì)程序d) 調(diào)試及分析仿真結(jié)果原理：楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)是最早利用分波陣面法獲得相干光，從而獲得光波干涉現(xiàn)象的典型實(shí)驗(yàn)裝置。如下圖： 本人主要承擔(dān)程序的設(shè)計(jì)與代碼的編寫。經(jīng)過(guò)和本組組員的多次學(xué)習(xí)和交流理解程序設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出代碼編寫的邏輯和結(jié)構(gòu)，編寫代碼并讓搭檔提出修改意見(jiàn)和建議并進(jìn)行調(diào)試?！救砍绦蚩驁D定 義lamd,d,z,yzd,x,yi=1i5

7、00l1=sqrt(y(i)-d/2)2+z2); l2=sqrt(y(i)+d/2)2+z2);phi=2*pi*(l2-l1)/lamd; u(i,:)=4*cos(phi/2)2;l1=sqrt(y(i)-d/2).2+z2); l2=sqrt(y(i)+d/2).2+z2); Nl=11; dl=linspace(-0.1,0.1,Nl);lamd1=lamd*(1+dl); phi1 = 2*pi*(l2-l1)./lamd1; u(i,:) = sum(4*cos(phi1/2).2);顯示圖像imagesc(x,y,u)plot(u(:),y)顯示圖像imagesc(x,y,u)

8、plot(u(:),y)noyes【四】實(shí)驗(yàn)結(jié)果設(shè)由狹縫S1 和S2 在P處引起的光矢量振動(dòng)的振幅相同，其振動(dòng)方程分別為 E1= E0os t +1 E2= E0cos t +2 所以光屏上任意一點(diǎn)的光矢量的振動(dòng)方程為: E = Ep cos t +1 其中Ep = 2E0C0S2-1)/2= 2E0C0S(dsin)/ 因而任意一點(diǎn)的光強(qiáng)為 I = 4I0 C0S2(dsin)/ 顯然，狹縫S1 和S2 在P處引起的振動(dòng)相位差=2-1 (2dsin)/ 根據(jù)相干波相干疊加加強(qiáng)的條件, = (2dsin)/ = 2k時(shí)，形成第k級(jí)明紋中心， 即：d sin= k時(shí)，形成第k級(jí)明紋中心。由此可見(jiàn)

9、, 干涉條紋明紋中心光矢量 的振動(dòng) 方程為：E = 2E0cos t +其振幅為通過(guò)狹縫S1 、S2 光矢量振幅的2倍，因而 明紋中心光強(qiáng)為狹縫S1 、S2的4倍，即I = 4I0【五】設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法 對(duì)于實(shí)驗(yàn)原理的理解挺清晰的但是在設(shè)計(jì)程序是卻遇到了麻煩，對(duì)變量的取值不確定，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，觀察結(jié)果圖像的特點(diǎn)，確定了比較合理的取值?！玖繉I(yè)課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)這個(gè)試驗(yàn)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，加之有之前兩次實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)matlab已比較熟悉了、熟練了。做實(shí)驗(yàn)已經(jīng)變得越來(lái)越容易，不會(huì)像之前那樣手忙腳亂了。平行平板多光束干涉的仿真【一】 項(xiàng)目需求分析對(duì)單色光（600nm）與復(fù)色光（兩種顏色，

10、如600,620nm）進(jìn)行多光束干涉（要求變化R值，如R=0.046，R=0. 27，R=0.64，R=0.87，R=0.99）的計(jì)算，繪出干涉條紋，觀察條紋銳度；固定入射角（如0°，30°角），觀察選頻特性。對(duì)復(fù)色光觀察自由光譜范圍。對(duì)整個(gè)仿真進(jìn)行總結(jié)歸納?！径?實(shí)施方案及原理和本人承擔(dān)的工作a) 了解實(shí)驗(yàn)原理b) 構(gòu)思matlab程序設(shè)計(jì)思路c) 設(shè)計(jì)程序d) 調(diào)試及分析仿真結(jié)果原理： 平行平板多光束干涉的產(chǎn)生如下圖：q1q2n0nn0hwppLL透鏡焦平面上產(chǎn)生多光束干涉P點(diǎn)光強(qiáng)為： 其中 本人主要承擔(dān)程序代碼編寫，通過(guò)與搭檔的溝通交流理解實(shí)驗(yàn)原理及程序大概流程，構(gòu)

11、思出程序邏輯結(jié)構(gòu)并編寫調(diào)試代碼，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的意義?！救?程序框圖 開(kāi)始 定義變量。 改變光波波長(zhǎng)繪制反射、投射曲線結(jié)束【四】實(shí)驗(yàn)結(jié)果平行平板的多光束干涉如雙光束干涉一樣，仍是等傾條紋，其亮紋和暗紋分別為：其相應(yīng)的透射光干涉光強(qiáng)為：不論對(duì)透射光還是反射光，形成亮紋和暗紋的條件與 雙光束完全相同，因此條紋的位置相同。干涉場(chǎng)的對(duì)比度由界面的反射比來(lái)確定。【五】設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法第一次編寫代碼時(shí)沒(méi)有注意不同折射率顏色問(wèn)題，后經(jīng)老師提出，改正之后使程序更易于觀察比較，同時(shí)也比較美觀?！玖繉I(yè)課程設(shè)計(jì)的心得體會(huì)通過(guò)本次試驗(yàn)，不僅學(xué)習(xí)、了解了多光束干涉的基礎(chǔ)知識(shí)和物理內(nèi)容，熟悉諸如擴(kuò)展光源的等

12、傾干涉、自由光譜范圍、分辨本領(lǐng)等基本概念，加深了我對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解，而且鞏固和深化了精密光學(xué)儀器調(diào)整和使用的許多基本技能，也讓我們?cè)僖淮紊羁腆w會(huì)到科學(xué)工作者的嚴(yán)謹(jǐn)與科學(xué)知識(shí)的奧妙?；A(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)是一門很有意義的課程，我們通過(guò)操作各種設(shè)計(jì)精巧的實(shí)驗(yàn)儀器，觀察神奇美妙的物理現(xiàn)象，不僅僅鍛煉了我們的動(dòng)手能力，深刻理解了理論知識(shí)。光的矩形孔衍射【一】 項(xiàng)目需求分析利用基爾霍夫衍射公式進(jìn)行計(jì)算，入射波長(zhǎng)為632.8nm，縫寬為1mm，光源位于系統(tǒng)的軸線上，要求計(jì)算遠(yuǎn)場(chǎng)衍射圖案，近場(chǎng)觀察距離改變衍射圖案的變化；對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行總結(jié)分析?！径?實(shí)施方案及原理和本人承擔(dān)的工作a) 了解實(shí)驗(yàn)原理b) 構(gòu)思ma

13、tlab程序設(shè)計(jì)思路c) 設(shè)計(jì)程序d) 調(diào)試及分析仿真結(jié)果原理：光的衍射現(xiàn)象是指光遇到障礙物時(shí)偏離直線傳播方向的現(xiàn)象。衍射現(xiàn)象一般分兩類：菲涅爾衍射和夫瑯和費(fèi)衍射。其中夫瑯和費(fèi)衍射是指光源和觀察者屏離開(kāi)衍射物體都為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的衍射。但因?yàn)閷?shí)際做不到無(wú)窮遠(yuǎn)，所以一般要求滿足光源和觀察屏離開(kāi)衍射物體之間的距離S都遠(yuǎn)大于a2/就能觀察到夫瑯和費(fèi)衍射現(xiàn)象。其中a為衍射物體的孔徑，為光源的波長(zhǎng)。 衍射光強(qiáng)的大小和形狀是研究衍射光的主要特性。而不同的衍射物體其衍射光強(qiáng)的大小和形狀都不一樣。夫瑯和費(fèi)衍射公式如下:本人主要承擔(dān)程序的設(shè)計(jì)與代碼的編寫。經(jīng)過(guò)和本組組員的多次學(xué)習(xí)和交流理解程序設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)出代碼編寫

14、的邏輯和結(jié)構(gòu)，編寫代碼并讓搭檔提出修改意見(jiàn)和建議并進(jìn)行調(diào)試?！救?程序框圖 開(kāi)始 定義變量。 改變觀察屏離開(kāi)衍射物體之間的距離在菲涅爾近似的條件下求P點(diǎn)的振幅，即對(duì)E(i,j)進(jìn)行積分求和 end 繪制衍射圖像結(jié)束【四】 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 本實(shí)驗(yàn)，只能粗略的表現(xiàn)孔的大小與波長(zhǎng)對(duì)衍射現(xiàn)象的影響，可以確定衍射明顯度與透鏡焦距長(zhǎng)短的關(guān)系，但不能進(jìn)一步說(shuō)明孔的大小與波長(zhǎng)的達(dá)到什么具體的比值才會(huì)使衍射現(xiàn)象更加明顯?！疚濉吭O(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法 光源和觀察者屏離開(kāi)衍射物體都為無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí)的衍射，這一距離區(qū)分近場(chǎng)衍射和遠(yuǎn)場(chǎng)衍射的分界，不容易找到，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，得到正確的值試實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)場(chǎng)衍射的圖像?！玖繉I(yè)課程設(shè)計(jì)

15、的心得體會(huì) 在做實(shí)驗(yàn)分析的過(guò)程中，先利用書本上的知識(shí)，不斷影響我的認(rèn)識(shí)。在MATLAB進(jìn)行的軟件仿真式樣中，可以通過(guò)更改不同的參數(shù)，進(jìn)而對(duì)模擬仿真所產(chǎn)生的圖形進(jìn)行比較，可以得到差異，比較法對(duì)于研究某些物理量對(duì)物理現(xiàn)象的影響是十分重要和有效的。這些工作的實(shí)行過(guò)程中，使我得到了良好的鍛煉，受益頗豐。附錄11. 光波的偏振態(tài)仿真clear all; c=3*108; %光速，單位：米/秒l=5*10(-7); %波長(zhǎng)，單位：米T=l/c; %周期，單位：秒t=0; t=linspace(0,T,1000); z=linspace(0,3,1000); %將z的長(zhǎng)度3分為1000等份w=2*pi/T;

16、 %角速度,單位：rad/sk=2*pi/l; %波矢量Eox=10;Eoy=10; %Eox，Eoy的最大值a=0; i=1; for b=0:pi/4:7*pi/4 %for循環(huán)，b由0到7*pi/4，依次加pi/4 Ex=Eox*cos(w*t-k*z+a); Ey=Eoy*cos(w*t-k*z+b); subplot(4,4,i); i=i+1; plot3(Ex,Ey,z); zlabel('z'); xlabel('x'); ylabel('y'); title('=pi/4','*',num2str

17、(i-2),'')end n=9; linspace(0,T,1000); for b=0:pi/4:7*pi/4 Ex=Eox*cos(w*t+k*z); Ey=Eoy*cos(w*t+k*z+b); subplot(4,4,n); n=n+1; plot(Ex,Ey); axis square; title('=pi/4','*',num2str(n-10),'')end 2、 雙光束干涉仿真clear lamd=5e-7; %設(shè)定入射波長(zhǎng) d=0.002; %縫間距 z=1; %屏縫間距 yzd=5*lamd*z/d; %設(shè)

18、定屏幕范圍x=yzd; y=linspace(-yzd,yzd,500);for i=1:500 l1=sqrt(y(i)-d/2)2+z2); l2=sqrt(y(i)+d/2)2+z2); phi=2*pi*(l2-l1)/lamd; u(i,:)=4*cos(phi/2)2; %干涉光強(qiáng) end colormap(gray) subplot(1,4,1); imagesc(x,y,u);%畫單色光干涉條紋 title('單色光波干涉條紋')subplot(1,4,2); plot(u(:),y) title('單色光波曲線')for i=1:500 l1=

19、sqrt(y(i)-d/2).2+z2); l2=sqrt(y(i)+d/2).2+z2); Nl=11; dl=linspace(-0.1,0.1,Nl); %復(fù)色光譜線寬度 lamd1=lamd*(1+dl); phi1 = 2*pi*(l2-l1)./lamd1; u(i,:) = sum(4*cos(phi1/2).2); %復(fù)色光干涉強(qiáng)度end subplot(1,4,3); imagesc(x,y,u); %復(fù)色光干涉條紋 title('復(fù)色光波干涉條紋') subplot(1,4,4); plot(u(:),y) title('復(fù)色光波曲線') 3

20、. 平行平板多光束干涉clear; c=3.0*1e+8;n1=1;h=0.005; St=0,pi/6; R=0.046 0.27 0.64 0.87 0.99; Fai=0:0.005*pi:4*pi;Eoi=1;Ii=Eoi2; n=length(R); for i=1:n F=4.*R(i)./(1-R(i).2; It1=1./(1+F.*sin(Fai./2).2)*Ii; % Ir1=(F.*sin(Fai./2).2)/(1+F.*sin(Fai./2).2)*Ii; Ir1=Ii-It1; It=It1./Ii; Ir=Ir1./Ii; subplot(1,3,1); if

21、i=1 plot(Fai,It,'r') hold on end if i=2 plot(Fai,It,'g') hold on end if i=3 plot(Fai,It,'b') hold on end if i=4 plot(Fai,It,'c') hold on end if i=5 plot(Fai,It,'m') hold on end grid on xlabel('Fai/pi') ylabel('Tt/Ii') title('透射') legend

22、('R=0.046','R=0.27','R=0.64','R=0.87','R=0.99') subplot(1,3,2); if i=1 plot(Fai,Ir,'m') hold on end if i=2 plot(Fai,Ir,'c') hold on end if i=3 plot(Fai,Ir,'b') hold on end if i=4 plot(Fai,Ir,'g') hold on end if i=5 plot(Fai,Ir,&

23、#39;r') hold on end grid on xlabel('Fai/pi') ylabel('Ir/Ii') title('反射') legend('R=0.046','R=0.27','R=0.64','R=0.87','R=0.99') box on m=length(St); for j=1:m V=(c.*Fai)./(4*pi*n1*h.*cos(St(j); subplot(1,3,3); plot(V,It,'c'); grid on xlabel('