共振原子体系光学瞬态过程理论研究

摘要

本文研究YAG基质材料中稀土离子Er<'3+>、Nd<'3+>的光谱性质和光在共振一维介质、二维平面波导中的传播特性.Er<'3+>由于能产生上转换荧光而受到重视,本文用有一定延时的双光束激光激发Er<'3+>:YAG固态样品,同时测量样品的线性荧光和上转换荧光强度;理论上用Bloch方程描述激发态吸收上转换过程,通过数值方法解Bloch方程,得到与激发态吸收过程相关的各能级粒子数布居随时间的变化关系,由于粒子数布居对时间的积分结果和荧光强度成正比,因而可以计算出荧光强度.对于有一定延时的两束光,用此方法可得到荧光强度随延时的变化关系,即相干光谱.相干光谱的计算结果和实验结果一致.在Nd<'3+>:YAG晶体中,晶格的振动对Nd<'3+>的光谱性质会产生影响,这种影响可以用Brown振子模型描述.本文用Brown振子模型研究YAG基质材料中Nd<'3+>4f电子跃迁的电子-声子相互作用过程,详尽推导了电子-声子耦合的表达式,模拟了Nd<'3+>:YAG的激发光谱,得出了电声耦合常数和声子频率等参数;用这些参数计算时间分辨的荧光相干光谱,结果与实验结果一致.光在介质中传播,光场由Maxwell方程描述,介质的极化由Bloch方程描述.本文用数字方法联立解Maxwell方程和Bloch方程,得出如下规律:单束光在一维介质中的传播规律(如2π脉中将以时间孤子的形式传播)和文献的结果相同.对于有一定延时且符号相反的两束2π脉冲光在介质中传播时,脉宽小的光束将赶上并超过脉宽大的光束,在两束光重叠的时候,会形成光强很大的脉冲;光在二维平面波导中传播时,光场的形状将发生变化:光场包络在时间和空间两方面都会展宽,如果光与物质的相互作用强烈,光场的形状将发生分裂.

目录

文摘

英文文摘

答辩委员会简介

第一章 绪论

1.1背景

1.2本文的基本内容

第二章 基本理论与方法

2.1量子力学的基本假设

2.2力学量和状态函数的表示

2.3 Dyson展开

2.4量子力学关于一维线性谐振子的处理方法

2.5微分方程的有限差分解

第三章 光与二能级原子的相互作用

3.1基本近似

3.2密度矩阵和 Louville方程

3.3 Bloch方程

3.4局域场修正下的Bloch方程

第四章 上转换荧光的激发与相干光谱

4.1上转换荧光产生的机制

4.2 Er3+的荧光激发谱

4.3 Er3+的荧光相干谱

4.4通过上转换实现光开关的设想

第五章 Nd3+：YAG中电子-声子耦合非Markovian过程的激光光谱研究

5.1引言

5.2电子跃迁的Brown振子模型和荧光激发谱

5.3荧光的相干光谱

5.4实验和计算结果及讨论

5.5结论

第六章 共振介质中光的传播

6.1电磁场的Maxwell方程

6.2自感应透明

6.3一维体介质中光传播的有限差分解

6.4定时光炸弹的设想

6.5二维平面波导中光传播的有限差分解

第七章 总结和展望

参考文献

索引

A在学期间完成的学术研究论文

B原创性声明

C致谢