脉冲的自由空间传输
建模目的:使用VirutalLab模拟脉冲在自由空间的传输 [ud|dwP" Kbas-</Si 使用工具箱:基本工具箱 h5-d;RKE K^H>~`C= 脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 r~oSP^e' n\= (S9 自由空间传输距离:10mm 7a<_BJXx Gah lS*W VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 kp`0erJqw M 9"-WIG@h 1) 脉冲传输 V2Y$yV8g1 ~zyQ(' 作为任意的电磁场,脉冲由电场矢量E(r, t)和磁场矢量H(r, t),共六个矢量分量来表示,这六个分量均为实值函数,后面我们用函数U(r, t)表示其中任意一个分量 pUL sGb <SQ(~xYi VirtualLab可以模拟脉冲传输,在一个输入平面 定义脉冲,此后脉冲传输通过一个系统并在输出平面 显示,数学表达式如下: j9xXKa5 2) 复数场 M=%!IT %fpsc_ 传输时间用 来表示 7) 0q--B x,1=D~L} 脉冲在时间上的宽度为 ,简称脉宽,一般脉宽长短依赖于横向位置并且随着传播改变 BXA]9eK
1+^n!$ 脉冲的载波频率为 v3^t/[e~: |<Bpv{]P 在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: }17bV, t RpN <= 3) 时间傅里叶变换 0yTQ{'Cc HRHrSf7 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: `a'`$'j iQ{z6Qa 类似的定义同样适用于复数场 1S*P"8N}0h RbAt3k;y 4) 包络函数 )E`+BH o)!m$Q~v 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: _8S4Q! 其对应的频域谱为: STB-guia5 +H}e)1^I
w `!LFHK
脉冲在自由空间的传播的模拟 <[9?Rj@ H),RA]S 1) 构建脉冲光源 .K7C-Xn=
ee<H@LeG kW(Kh0x PS:高斯脉冲光谱窗口 9K$]h2 Y)OBTX 生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 i[_|%'p Ky6+~> 2) 创建光路图LPD,选择高斯光源,并将高斯脉冲光谱导入高斯光源中,以形成脉冲光源 7@~QkTH~y .C?GW1[c~@ STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) ,D8&q?a 6$(0Ty STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) 1RA }aX MCHOK=G STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) eP?~-# R8uj3!3^ STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) Nm"<!a<F xp=Zd\5W$ STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 cD8Ea( 6Pijvx^0 STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 (HJ$lxk<2h - p^'XL*Z 3) 选择虚拟屏作为探测器,并将光源与虚拟屏连接起来,二者间距离设置为10mm ',# !l"tI#?6W%
e?1KbJ?. 4) 点击▷Go! ,进行场追迹 .5z&CJDiIi PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 ~4+8p9f lG 8dI\ ` 5) 引入光程分析器(Optical Path Length Analyzer,以下简称OPLA),以获取脉冲的时间偏移 1b+h>.gWar
Z+,CL/ PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA) PS:光程分析器窗口 <
GU 6) 点击 ,进行光程分析 1=>2uYKR ) H+d.Y PS1:左图为相位vs频率图 L}b'+Wi@ h[,XemwX PS2:由左图可见相位大致随频率线性变化,因此可对其进行线性拟合。在全相位中提取出线性拟合部分,剩余相位随频率的变化如右图所示。剩余相位是介质色散的结果,若介质无色散则相位完全线性的随频率变化,剩余相位为零(或任意常数) `/c@nxh ]7l{g9?ZtV 7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 N5ci};?
PS1:时间偏移量为33.3656ps /]g>#J%b 8) 使用VirtualLab提供的场测量工具,选择点测量(Point Evaluation)即显示某一点上光场的特性 vgN@~Xa V:8@)Hc=
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 =G*z
53 PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 UT~4Cfb 9) 点击 键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 c l9$g7 S<9gyW
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 wE8]'o PS:电场振幅在时域中的分布 :^5>wDu{ 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 Qqh^E_O ILNXaJ'0a
PS:转换为真实的场 ~9bv Wd1D PS:将包络函数转换为真实场 }9
?y'6l 11) 其它场测量工具 e]Puv)S>{8 ]y}Zi/zh 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 *cPN\Iu.W .}`V I`z*
PS:在输出光场上划定线段 Wy!uRzbBv PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 7<vy;"wB PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 xmOM<0T 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 CxkMhd8qz ?o8a_9+
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QQ:2987619807
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