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    [分享]脉冲的自由空间传输 [复制链接]

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    只看楼主 倒序阅读 楼主  发表于: 2021-07-02
    建模目的:使用VirutalLab模拟脉冲在自由空间的传输 :IU<AG6  
    <2oMk#Ng^  
    使用工具箱:基本工具箱 @{U UB=}9  
    e|W;(@$<  
    脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 -[J4nN&N  
    bHcBjk.\  
    自由空间传输距离:10mm C:t?HLY)fG  
    urE7ZKdI  
    VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 dGj0;3FI%  
    +8W5amk.P|  
    1) 脉冲传输 QgKR=GR6  
    $9j>oUG  
    作为任意的电磁场,脉冲由电场矢量E(r, t)和磁场矢量H(r, t),共六个矢量分量来表示,这六个分量均为实值函数,后面我们用函数U(r, t)表示其中任意一个分量 1JU je  
    oOc-1C y  
    VirtualLab可以模拟脉冲传输,在一个输入平面 定义脉冲,此后脉冲传输通过一个系统并在输出平面 显示,数学表达式如下:
     3Z`"k2k  
    2) 复数场 }A]e C  
    Tt9cX}&&  
    传输时间用 来表示 K2e68GU  
    8(&6*- 7=  
    脉冲在时间上的宽度为 ,简称脉宽,一般脉宽长短依赖于横向位置并且随着传播改变 <7>1Z 82)  
    CJh,-w{wJ"  
    脉冲的载波频率为 0'THL%lK  
    WUjRnzVM  
    光学中使用实数场表示会带来很多计算上的不便,为方便计算人们往往使用复数场Uc表示光场分量,在VirtualLab中也是这样。复数场Uc和实数场U之间的关系是: pEz^z9  
                 3UmkFK<  
    3) 时间傅里叶变换 #AP;GoIf"j  
    5!S#}=f=  
    任意点处,光场的时域分布和对应的频域分布由傅里叶变换联系起来,如下所示: D5oYcGc  
    %~k>$(u6  
    类似的定义同样适用于复数场 JWaWOk(t=?  
    g\q4-  
    4) 包络函数 si)>:e  
    hr&&b3W3p  
    VirtualLab在模拟中使用了包络函数 的概念。包络函数是以 为中心时脉冲时域分布并除去载波因子 后剩余的部分。因此,其定义如下: (]\p'%A)  
    其对应的频域谱为: A`JE(cIz3  
    >&:}L%  
    ,C"6@/:l  
    脉冲在自由空间的传播的模拟 ,?Ie!r$6  
    q]C_idK=  
    1) 构建脉冲光源 _&\'Va$  
     ^|zag  
    xo?'L&%  
    PS:高斯脉冲光谱窗口 +c!HXX  
    MRXw)NAw  
    生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 2}XRqa.|  
    - AgD  
    2) 创建光路图LPD,选择高斯光源,并将高斯脉冲光谱导入高斯光源中,以形成脉冲光源 BfCM\ij  
    lw gwdB  
    STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) 9d^m 7}2  
    ykJ+LS{+  
    STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) YmFg#eS  
    =H8FV09x}  
    STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) :j .:t  
    M*qE)dZjS  
    STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) ~]RfOpq^w  
    64#Ri!RR}  
    STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 m,t{D, 2  
    <9 ^7r J  
    STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 gm,AH85  
    ~XP|dn}  
    3) 选择虚拟屏作为探测器,并将光源与虚拟屏连接起来,二者间距离设置为10mm  !QvmzuK  
    .tGz,z}  
    7g]mrI@  
    4) 点击▷Go! ,进行场追迹 eR>8V8@  
    PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 6nE/8m  
    =No#/_  
    5) 引入光程分析器(Optical Path Length Analyzer,以下简称OPLA),以获取脉冲的时间偏移 l1lYb;C  
    <QFayZ$  
    PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA)
    PS:光程分析器窗口 T?f{.a)  
    6) 点击 ,进行光程分析 Rc{R^5B  
    2)}*'_E9  
      
    PS1:左图为相位vs频率图 OomC%9/=,  
    gJuK%P  
    PS2:由左图可见相位大致随频率线性变化,因此可对其进行线性拟合。在全相位中提取出线性拟合部分,剩余相位随频率的变化如右图所示。剩余相位是介质色散的结果,若介质无色散则相位完全线性的随频率变化,剩余相位为零(或任意常数) $z*"@  
    d>mZY66P  
    7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 fap]`P~#L  
    PS1:时间偏移量为33.3656ps e(a,nZF.  
    8) 使用VirtualLab提供的场测量工具,选择点测量(Point Evaluation)即显示某一点上光场的特性 w0Nm.=I-   
    B0gD4MX/  
    PS:在中心位置处测量光场随波长变化 `:~Wu/Ogr  
    PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 PKntz7  
    9) 点击键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 6lg]5d2CD  
    _*?qOmf=  
    PS:输入OPLA探测的时间偏移量33.3656ps以使变换结果居中于该时间点 ;SjNZi)4d  
    PS:电场振幅在时域中的分布 csLbzDg  
    10) 逆向时间傅里叶变换所得结果为时域中脉冲的包络函数,将包络函数乘以 ,即转换为真实场 HBvyX`-  
    BF2U$-k4  
    PS:转换为真实的场 kZF<~U  
    PS:将包络函数转换为真实场 7]1a3Jk  
    11) 其它场测量工具 t bR  
    F.aG7  
     线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 1aIGC9xQ`  
    YJHb\Cf.  
    PS:在输出光场上划定线段 G%l')e)9Gq  
    PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 +x`pWH]2  
    PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 MG.c`t/w  
    12) 对其进行逆向时间傅里叶变换,得到该线段上每一点的包络函数 c CDT27 @  
    fPKpV`Hr3  
    )V>OND  
    QQ:2987619807
     
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