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 lhA
s!\F MupW=3.38 使用工具箱:基本工具箱 <S8W~wC Wj j2J8B 脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 #O9*$eMw J&"?m.~@ 自由空间传输距离:10mm tkN3BQ |] !o*7"4 VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 EdAR<VfleA PWk?8dL- 1) 脉冲传输 *Qg5Z f >)Tq' 作为任意的电磁场,脉冲由电场矢量E(r, t)和磁场矢量H(r, t),共六个矢量分量来表示,这六个分量均为实值函数,后面我们用函数U(r, t)表示其中任意一个分量 .p(6' TYnI 'ztL3(|X6 VirtualLab可以模拟脉冲传输,在一个输入平面 定义脉冲,此后脉冲传输通过一个系统并在输出平面 显示,数学表达式如下: %- ZR~* 2) 复数场 t&9as} +dgo-)kP(_ 传输时间用 来表示 Wz-3?EQ @nx}6?p\, 脉冲在时间上的宽度为 ,简称脉宽,一般脉宽长短依赖于横向位置并且随着传播改变 l!;_lH8W$ KZ!N{.Jk 脉冲的载波频率为 02W4-*) EID)o[< 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: T018)WrhL @4_rx u& 3) 时间傅里叶变换 uspkn1- prlyaq;4 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: -4vHK!l -eR!qy:.]5 类似的定义同样适用于复数场 gVa+.x] q:
TT4MUj< 4) 包络函数 V5u}C-o 5%QC
][, 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: @L[PW@:SZ 其对应的频域谱为:
{b|3]_-/ 2q-:p8
k=T-L 脉冲在自由空间的传播的模拟 (:?5 i` +~w?Xw, 1) 构建脉冲光源 H~?*KcZ 0\ ;]gsJ9FK< i'W_;Y} PS:高斯脉冲光谱窗口 ~U"by_ QiTR-M2C! 生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 stg30>< YPha9M$AgU 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 `26V`%bPkr ;wJ7oj< STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) z^gQ\\,4 c<=`<!FS[ STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) E!zd( j-lSFTo STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) y+4?U Q7~'![(a STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) yu`KzIU z(g%ue\ STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 MAE7A"la $ \Q<K@{ STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 a>o"^%x Sf
024 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 aBXYri ydwK!j0y
(NH8AS< 4) 点击▷Go! ,进行场追迹 IL~]m?'V( PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 M82.khm~jM pU?{0xZH 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 Qg'c?[~W@
{0is wq'J PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA) PS:光程分析器窗口 z.eJEK 6) 点击 ,进行光程分析 PD6MyW05%9 8weSrm PS1:左图为相位vs频率图 WGH%92 y;Qy"-)qb 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) )R jb/3*! Mw/?wtW 7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 :PgF
PS1:时间偏移量为33.3656ps
^I]LoG: 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 a?5WKO jCU=+b=
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 _Zh2eXWdjM PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 GwcI0~5 9) 点击 键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 an3~'g? fv|]= e
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 :]vA2 PS:电场振幅在时域中的分布 T>d\%*Q+B 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 r
eGm> 6ayy[5tW
PS:转换为真实的场 TqIAWbb& PS:将包络函数转换为真实场 ?nQ_w0j 11) 其它场测量工具 j]rXoV> ?#d6i$ 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 \ jECSV| $j57LY|r
PS:在输出光场上划定线段 `YPe^!`$ PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 W%TQYR PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 TI}}1ScA' 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 xpF](>LC( @&;(D!_&
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QQ:2987619807
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