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 <X)\P}"L4 w/6X9d 使用工具箱:基本工具箱 ]E/0iM5 %,@pV%2 脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 UA$IVK&{ vJ&_-CX 自由空间传输距离:10mm JN
wI{ ng%[yY VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 r9ulTv}X ^\}qq>_ 1) 脉冲传输 ^+>*Y=fl 'n'>+W: 作为任意的电磁场,脉冲由电场矢量E(r, t)和磁场矢量H(r, t),共六个矢量分量来表示,这六个分量均为实值函数,后面我们用函数U(r, t)表示其中任意一个分量 q A .9X4NQ
NxHUOPAJc VirtualLab可以模拟脉冲传输,在一个输入平面 定义脉冲,此后脉冲传输通过一个系统并在输出平面 显示,数学表达式如下: eAlOMSL\ 2) 复数场 S`kOtZ_N n U`(=iyWP= 传输时间用 来表示 od)TQSo 0+CcNY9 脉冲在时间上的宽度为 ,简称脉宽,一般脉宽长短依赖于横向位置并且随着传播改变 t{>K).' q/b+V)V 脉冲的载波频率为 u$d[&|`>_ B7f<XBU6> 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: JQ%hh&M\0 kSz+UMC-7: 3) 时间傅里叶变换 n6oOknCna d0>U-. 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: YmC}q20; F!X0Wo= 类似的定义同样适用于复数场 j}u L 95,]86 4) 包络函数 ^77W#{ Zs MH.+pqIv^ 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: V}s/knd 其对应的频域谱为: M_E,pg=rWI :+"4_f0
B/4M;G~ 脉冲在自由空间的传播的模拟 HA0!>_I dC yI^Yh{
1) 构建脉冲光源 0f@+o}i=) \foThLx lAN&d;NU6Z PS:高斯脉冲光谱窗口 g7zl5^o3j nYx
/q 生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 @7nZjrH :`N&BV 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 )J 'F]s (7g"ppf STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) 0
P YYG FDl/7P`b( STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) {]dxFhe) 4;YP\{u STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) 5sJ>+Rg d_`MS@2 STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) )Eozo4~ q9vND[BQ STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 77M!2S_E RW&o3_Ua STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 +^BThrB 8w:ay,= 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 ~<_#%R! 9Kd=GL_
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4) 点击▷Go! ,进行场追迹 qArR5OJ PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 /l7 %x. XCI 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 .eN"s'
&oMEz 0 PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA) PS:光程分析器窗口 7]rIq\bM 6) 点击 ,进行光程分析 ^|MS2' Pn9". PS1:左图为相位vs频率图 25OQY.>bE ,WE2.MWR 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) fn<dr(Dx "_UnN}Uk 7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 }uDpf0;^
PS1:时间偏移量为33.3656ps U
'{PpZ 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 o+|>D&CW% Kl. *Q
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 ^KbR@Ah PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 ;>7~@
K 9) 点击 键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 ft/k-64 +k6`
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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 qXtC7uNj$ PS:电场振幅在时域中的分布 W"%n5) 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 3rRIrrYO }C @xl9S "
PS:转换为真实的场 N #v[YO`. PS:将包络函数转换为真实场 bg|$1ue 11) 其它场测量工具 +^9^)Ur| UwW@}cy,L 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 w
yxPvI` Pjh;;k|V
PS:在输出光场上划定线段 le^Fik
PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 -9LvAV> PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 q!W,2xqZoq 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 _7N?R0j^9N ]n4PM=hz
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QQ:2987619807
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