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 _,0.h*c *YH!L{y 使用工具箱:基本工具箱 O7IYg; ~pp<
T 脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 [4C_iaE CR.d3!&28 自由空间传输距离:10mm 3}g>/F~ %JPr 7 } VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 837:;<T N:Q.6_%^ 1) 脉冲传输 PW%ith1)< Ff>X='{ 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 ORKJy)*" :9L}jz 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: yj'lHC 2) 复数场 6'mZM=d @I1*b>X~< 传输时间用 来表示 ~)$R'= ([a;id 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 n%\\1 c8]%,26. 脉冲的载波频率为 [E<A/_z Na]Z%#~ 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: 4MDVR/Z7 f#AuZ]h 3) 时间傅里叶变换 `lm '_~=`& X`&Us 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: SkipPEhA fh_:ung 类似的定义同样适用于复数场 RF6]_-
$A74V[1^ 4) 包络函数 <oP`\m NR&a
er VirtualLab在模拟中使用了包络函数 的概念。包络函数是以 为中心时脉冲时域分布并除去载波因子 后剩余的部分。因此,其定义如下: 3Jda: 其对应的频域谱为: ZR3sz/ulLd Qu<HeSA_
8KP 脉冲在自由空间的传播的模拟 R.*
k7-(; ~ cu+QR) 1) 构建脉冲光源 ?vD<_5K;I %NlmLWF. M{u 7Ef PS:高斯脉冲光谱窗口 N0D5N(kH% ZA_~o#0% 生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 wU]8hkl? *WzPxQ_ 2) 创建光路图LPD,选择高斯光源,并将高斯脉冲光谱导入高斯光源中,以形成脉冲光源 ZFX}=?+ T|oDJ]\J STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) &SZAe/3+ PMQ31f/zf STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) M>RLS/r>d 2"xhFxoD7 STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) }
-hH2 }EfRYE$E STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) m^0*k|9+G R 'mlKe x STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 A}pe>ja 9<!??'@f STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 7S&O{Q7) =5pwNi_S 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 J{EK}' RKs_k`N0
;rCCkA6 4) 点击▷Go! ,进行场追迹 UU =,Brb PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 /xA`VyHO ~fgS"F^7n 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 OH+2)X
wE <PXBl\b PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA) PS:光程分析器窗口 b$Bq#vdg: 6) 点击 ,进行光程分析 $U_1e' oFGgr2Re PS1:左图为相位vs频率图 _{i-.;K TlQ5'0&I 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) 7x
|Pgu( 1-4*YrA 7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 y3V47J2o
PS1:时间偏移量为33.3656ps EX3;|z@5; 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 =U~\iJ t9
id^
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 9EZh~tdV[ PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 LTD; 9) 点击 键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 37,)/8]lG ==7=1QfP
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 O~#OVFJ9= PS:电场振幅在时域中的分布 l>>,~ 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 '-X913eG! dNs<`2m
PS:转换为真实的场 BtWm ZaKi PS:将包络函数转换为真实场 xF9PjnWF= 11) 其它场测量工具 :}w^-I" W& |