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 QCVsVG!sN bkxk
i@t 使用工具箱:基本工具箱 fFjL pl IkiQOk 脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 0S%tsXt+ f<'n5}{RO0 自由空间传输距离:10mm ~6\& y hEVjeC VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 a|8|@, #4Dn@Gqh.Y 1) 脉冲传输 H&~5sEGa U? {'n#n 5 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 <j{0!J@: E]e,cd 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: W^5<XX,ON 2) 复数场 c*Eok?O F_ ,L2J 传输时间用 来表示 tZdwy> ; m(8jSGV 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 eo>/ fui4@ 脉冲的载波频率为 <WZ1- Oqd"0Qt- 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: |De!ti sI^@A=.@ 3) 时间傅里叶变换 1M7\:te* x>U1t!' 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: aQl?d<|+lk BM|-GErE 类似的定义同样适用于复数场 Uuwq7oFub N$N;Sw 4) 包络函数 NvQY7C CP c" VirtualLab在模拟中使用了包络函数 的概念。包络函数是以 为中心时脉冲时域分布并除去载波因子 后剩余的部分。因此,其定义如下: )?!vJb" 其对应的频域谱为: 9
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E}xz7u 脉冲在自由空间的传播的模拟 =-OCM*5~S kHt!S9r 1) 构建脉冲光源 #)W8. 7$g*N6)Q mXxZM;P[ PS:高斯脉冲光谱窗口 kS@9c _3S 2E@C0Ha L 生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 E9L!O.Q )ZS:gD 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 gi1}5DR &(5^vw<0 STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) XD_P\z d[s;a. STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) {B'Gm]4 D)H?=G STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) j\XX:uU_ "o\6k"_c> STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) -IpV'%nX; u#zP>! STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 ]7#^])> _ 4~ng#M* STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 5@w'_#!) ^yn[QWFO 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 lU&`r:1>_ vR6^n~
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A]m~=3 4) 点击▷Go! ,进行场追迹 K B`1% = PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 zxk??0]/ cc2d/<: 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 M^|"be~{'
USnD7I/b PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA) PS:光程分析器窗口 NDs]}5# 6) 点击 ,进行光程分析 d&[M8( ;[WSf{k PS1:左图为相位vs频率图 OH-~ b6LC$"t0 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) ~aauW? q5?rp|7D 7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 c~^]jqid]
PS1:时间偏移量为33.3656ps f{+LCMbC6 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 %S(#cf!HP \,@Yl.,+
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 Ovl?j&8 PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 2;Y@3d:z 9) 点击 键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 -7Aw
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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 UtW"U0A PS:电场振幅在时域中的分布 Z?.p%*>`T= 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 j{7ilo(i 6]@|7|N>X
PS:转换为真实的场 O5G<O(,\ PS:将包络函数转换为真实场 K-"HcHuF 11) 其它场测量工具 2-cU -i4 PO1:9 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 ^H\-3/si* j &0fC!k
PS:在输出光场上划定线段 7tf81*e PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 f}9PEpa,Z PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 lt2Nwt0bv 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%95~\Ds @??c<]9F
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