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infotek 2021-09-23 09:37

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 |RS(QU<QE  
;iq58.  
使用工具箱:基本工具箱 4]P5k6 nV  
CBrC   
脉冲参数:脉冲宽度为10fs,载波波长800nm,包含29个谐波场 pFW^   
(]}52%~  
自由空间传输距离:10mm u;/5@ADW  
tF&g3)D:NV  
VirtualLab脉冲建模的一些概念的介绍 }NgevsV>;  
9()d7Y#d/`  
1) 脉冲传输 Q/2(qD; u  
!^FR a{b  
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 ^fq^s T.$  
Hdxon@,+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:
":meys6t#  
2) 复数场 ;NJx9)7<  
{Y7dE?!`7  
传输时间用 来表示 y~'h/tjM@=  
[(kC/W)!  
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 )a=58r07  
6dlV:f_\y  
脉冲的载波频率为 ,Qb(uirl]  
PZ[hH(EX  
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: .gP}/dj  
             02RZ>m+  
3) 时间傅里叶变换 5 >c,#*  
8TH fFL  
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: <u Kd)l  
->S# `"@$  
类似的定义同样适用于复数场 pcC/$5FQ  
I8%Uyap{  
4) 包络函数 _+*+,Vx  
"+sl(A3`U  
VirtualLab在模拟中使用了包络函数 的概念。包络函数是以 为中心时脉冲时域分布并除去载波因子 后剩余的部分。因此,其定义如下: 6Qw5_V^0o  
其对应的频域谱为: ] i:WP2  
y8e'weK  
r Y#^C  
脉冲在自由空间的传播的模拟 }c?W|#y`.o  
(M;jnQ0  
1) 构建脉冲光源 7mBH #Q)  
;_dOYG1  
=6Q\78b  
PS:高斯脉冲光谱窗口 U'oFW@Y;h  
J`d_=C?J  
生成的载波波长为800nm的高斯脉冲光谱 ODFCA. t  
`iZ){JfAH  
2) 创建光路图LPD,选择高斯光源,并将高斯脉冲光谱导入高斯光源中,以形成脉冲光源 ?qt.+2:  
6cVJu%<V  
STEP1:选择高斯光源(Gaussian Wave) G 5!J9@Yi  
'Z}3XVZEN  
STEP2:在光源窗口选择光谱参数(Spectral Parameters) J-U5_>S  
!l|fzS8g  
STEP3:在功率谱类型中选择波长列表(List of Wavelengths) k"$E|$  
kW4B @Zh  
STEP4:选择从图表中导入(Load from Diagram) 4m"6$  
}v4T&/vt-  
STEP5:选择上面生成高斯脉冲光谱 s%/x3anz=  
,~nrNkhp  
STEP6:OK,以生成高斯脉冲光源 j0uu* )Rk  
m/bP`-/,  
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 h#~\-j9>  
; nc3O{rU  
 sg9  
4) 点击▷Go! ,进行场追迹 VBq|j"o0"  
PS:高斯脉冲光源自由空间传播,在虚拟屏上的光分布 pybE0]   
Z!foD^&R  
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 TJ_pMU  
ojG;[@V  
PS:在分析器中双击Optical Path Length Analyzer (OPLA)
PS:光程分析器窗口 wi-F@})f#  
6) 点击 ,进行光程分析 EGw;IFj)  
,vcd>"PK  
  
PS1:左图为相位vs频率图 KJYcP72P  
FByA4VxB  
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) S>;+zVF]  
T?k!%5,Kj  
7) 查看探测器结果Detector Results ,获得(考虑色散的)时间偏移 aQHB  
PS1:时间偏移量为33.3656ps epGC Ta  
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 Msst:}QY  
#t<  
PS:在中心位置处测量光场随波长变化 ;km^ OO$  
PS:中心位置处不同波长对应的电场振幅 sL4j@Lt  
9) 点击键,对上述结果进行逆向时间傅里叶变换 qtlcY8!  
n`.JI(|  
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 dGG8k&  
PS:电场振幅在时域中的分布 wBI>H 7A  
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 *nx$r[Mqj  
%Xe 74C"  
PS:转换为真实的场 #5yz~&  
PS:将包络函数转换为真实场 ESmWK;7b  
11) 其它场测量工具 P^^WViVX  
((AIrE>Rr  
 线测量工具 ,即显示某线段上光场的分布及特性 fJD+GvV$x  
i)q8p  
PS:在输出光场上划定线段 /2>.*H_2  
PS:选择线测量工具,测量光场随波长的变化 ;iO5 8S3  
PS:获取线段上不同波长对应的电场振幅 @ MKf$O4K  
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 tLzb*U8'1w  
2?nEHIUT  
i9eE/ .  
QQ:2987619807
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