时域有限差分法在光纤光场中的应用

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时域有限差分(FD-TD)法是在时域中求解电磁场的一种数值计算方法,它把带时间变量的Maxwell微分方程转化为差分方程来求解其电磁场各分量。自FD-TD法创建以来,它广泛应用于电磁波对各种物体的作用的研究中,而用于光纤光场研究的报导很少见。 以前对光纤光场的研究一般采用解析法,且局限于研究结构简单的低阶模和单模光纤。但随着光纤的广泛使用,结构越来越复杂,要求得到精确的解析解已是不可能的,需采用数值计算方法。与其它数值计算方法相比,时域有限差分法具有直观、快捷、程序简单通用、节省内存和计算时间、精度较高、所得数据和图形物理概念清晰等优点。本文将这种方法引入光纤光场的计算,得到了与解析法相吻合的结论,证明了FD-TD法用于光纤光场研究的可行性和有效性。 根据光纤的结构特点,论文首先将直角坐标系的FD-TD法转化为圆柱坐标,推导出了圆柱坐标系中场、吸收边界条件、奇点和棱边的差分方程。利用柱坐标下的三维标量FD-TD法,分析了阶跃折射率光纤稳态模场分布情况,文中分别用了高斯光源、点光源、SIN光源、COS光源四种不同类型的光源作为激励,所得的光场分布图在光场传播达到稳定后基本相同。同时,在相同的光源激励下,改变光纤参数,光场稳定后的场分布有所不同,这说明光纤中的稳态场分布与激励类型无关,只与光纤结构参数和输入光频有关。 论文还将三维标量FD-TD法用于分析光纤锥的光场分布。将稳态场输入两种不同锥角的光纤维,其尖端处为不稳定场,且锥角越大,稳定性越差;其输出场在其中心部分仍为稳态分布的光场,随着锥角的增大,稳态场半径变大,且输出场有发散性。
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