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infotek 2020-12-28 09:56

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 D]~K-[V?l  
UyGo0POW  
使用工具箱:基本工具箱 (cj9xROx  
':.Hz]]/A  
脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 vF^d40gV  
sK2N3 B&6  
自由空间传输距离:10mm wR%Ta-  
=E9\fRGU  
VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 bRvGetX  
J,}h{-Xy`  
1) 脉冲传输 n&[CTOV  
W3le)&  
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 *(9Tl]w  
8w5}9}xF  
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:
}$_@yt<{W@  
2) 复数场 %,\JTN|g|A  
~HmH#"VP  
传输时间用 来表示 U}w'/:H  
@f-:C+(Nsg  
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 ;FqmZjm  
O=jLZ2os  
脉冲的载波频率为 D /QLp3+o  
F{x+1hct0  
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: v6 5C j2ec  
             3H,x4L5j  
3) 时间傅里叶变换 s~7a-J  
)+L|<6JXA  
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: ]zYIblpde  
@g#5d|U);  
类似的定义同样适用于复数场 ! yJ0A m>  
|&4A"2QN  
4) 包络函数 atZe`0  
6 ) i-S<(  
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: #]dm/WzY  
其对应的频域谱为: x+Yo#u22  
ZQlk 5  
d dgDq0N1j  
脉冲在自由空间的传播的模拟 |Y Lja87  
_WNbuk0  
1) 构建脉冲光源 9JdJn>  
syr0|K[  
\lg ^rfj  
PS:高斯脉冲光谱窗口 -Mr_Ao`E  
Mst%]@TG  
生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 $R'?OK(`  
]0>  
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 uBts?02  
z6w'XA1_+t  
STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) FF#Aq  
` +YtTK  
STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) ?jR#txR  
wnC-~&+6  
STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) UnDCC_ud  
pJFn 8&!J  
STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) n>)aw4  
%fF,Fnf2  
STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 `LoRudf_`  
(EcP'F*;;y  
STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 Z=8&`  
to: ;:Goa  
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 K1X-<5]{  
=+_nVO*  
bqH [-mu6  
4) 点击▷Go! ,进行场追迹 B!mHO*g  
PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 d21thV ,S  
|"K%Tvxe  
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 oU )(/  
Y[e.1\d'  
PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA)
PS:光程分析器窗口 @{b5x>KX  
6) 点击 ,进行光程分析 (8 7wWhH  
Hx6O Dj[-  
  
PS1:左图为相位vs频率图 xp1/@Pw?  
GDCp@%xW  
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) D`QMlRzXy  
z$1|D{  
7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 Rng-o!   
PS1:时间偏移量为33.3656ps Mo@{1K/9  
8) 使用VirtualLab提供的场测量工具,选择点测量(Point Evaluation)即显示某一点上光场的特性 gH7  +#/  
DSHvBFQ  
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 / xv5we~  
PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 %!iqJ)*~  
9) 点击键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 9wCgJ$te  
 p[&J l  
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 9+y&&;p  
PS:电场振幅在时域中的分布 5 v.&|[\k  
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 lO\HchG zB  
PI L)(%X  
PS:转换为真实的场 GTB\95j]  
PS:将包络函数转换为真实场 .pZYPKMaE  
11) 其它场测量工具 Up%XBA  
Z?S?O#FED  
 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 5 `TMqrk  
@ *Jbp  
PS:在输出光场上划定线段 { (.@bT@  
PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 ;e_us!Sn  
PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 ,(oolx"Xa  
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 *b~8`O pa`  
ag8)^p'9  
M p <r`PM2  
QQ:2987619807
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