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 cXw8#M! \Vb|bw'e( 使用工具箱:基本工具箱 9x`1VR
: k@Qd:I;; 脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 $:|?z_@ t#d{hEr 自由空间传输距离:10mm %-fQ[@5 ?`T Q'#P` VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 HjCe/J ; P](/5KrK 1) 脉冲传输
X6<Ds'I >t#5eT`_ w 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 fU<_bg Yz)+UF, 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: uN&UYJ'B 2) 复数场 $+|.
@ss =O%'qUj`q 传输时间用 来表示 NK\0X5##. a(IUAh*mO 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 1z3>nou2{ Fe1XczB 脉冲的载波频率为 y!8m7a /%1-tGh 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: ZZM;%i-B m*|G2 3) 时间傅里叶变换 i&KBMx Dy&{PeE! 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: ~6=aoF5"3? v,|jmv+: 类似的定义同样适用于复数场 ";jKTk7 -e O>d} 4) 包络函数 $px1D$F ! {8 # 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: j1HeX 其对应的频域谱为: 3tW}a`z9 Ji.FG"h+2
; GEr8_7 脉冲在自由空间的传播的模拟 -HF1c D@ %!|: 1) 构建脉冲光源 b,x$wP+ ,zEPdhTX &z05h<] PS:高斯脉冲光谱窗口 iD.p KG (&-I-#i 生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 _
h/:r1 j-d542" 2) 创建光路图LPD,选择高斯光源,并将高斯脉冲光谱导入高斯光源中,以形成脉冲光源 #+H3b!8= N)/7j7c~; STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) T|p%4hH L|8&9F\ STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) 1 F&}e&}c W=y9mW|p/ STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) M?5v oV* X4L@|"ZI STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) YZAQt*x drvz
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9; STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 558!?kx$ &oE'|^G STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 \E6 0 Y.q$"lm7k 3) 选择虚拟屏作为探测器,并将光源与虚拟屏连接起来,二者间距离设置为10mm !$/P8T``M xt6%[)
v%kl*K`* 4) 点击▷Go! ,进行场追迹 {mY=LaS< PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 O;$}j:;KF 1)5/a5 5) 引入光程分析器(Optical Path Length Analyzer,以下简称OPLA),以获取脉冲的时间偏移 H
vHy{S4
b'I@TLE') PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA) PS:光程分析器窗口 dkW7k^g 6) 点击 ,进行光程分析 pd|l&xvka #7"";"{z| PS1:左图为相位vs频率图 N/[!$B0H@ PzT@q\O 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) )LsUO#%DO |n;5D,r0C 7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 +Ht(_+To1
PS1:时间偏移量为33.3656ps Xy}>O* 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 t>Yl=79, !}5+hj!6
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 K"!U&`T PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 3[@:I^q 9) 点击 键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 <nK@+4EH"o !^EA}N.u
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 $KBW{ PS:电场振幅在时域中的分布 xVrLoAw 10) 逆向时间傅里叶变换所得结果为时域中脉冲的包络函数,将包络函数乘以 ,即转换为真实场 W)^%/lAh 3m~,6mQ
PS:转换为真实的场 |[p]])
o PS:将包络函数转换为真实场 '$VP\Gj. 11) 其它场测量工具 [ {HTGz@( T+S\'f\ 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 C~^T=IP )` S5>[6
PS:在输出光场上划定线段 <<V"4 C2 PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 dA<SVk*0Q PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 0b<Qs88yd> 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 "Xl"H/3r 1@}<CWE9
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