超短激光脉冲在Ladder型三能级原子介质中传播特性的理论研究

摘要

超短脉冲激光具有超短的时间间隔和超强的峰值功率，它在物理、化学、生物等学科领域具有广阔的应用前景。目前周期量级激光脉冲与原子和分子的相互作用已成为最热门的研究课题之一，周期量级激光脉冲在原子分子介质中的传播是这一研究的重要内容。开展周期量级超短激光脉冲在原子等介质中引起的极端非线性光学特性研究，能够丰富非线性光学内容，并将促进光物理、量子信息科学及阿秒科学等新兴或交叉学科的发展。
　　基于光与物质相互作用的半经典理论，用Maxwell方程描述电场，用密度矩阵方程描述介质。本论文在前人研究工作的基础上，对超短激光脉冲在Ladder型三能级原子系统中的传播特性和频谱特性进行了理论研究，全文内容共分七章:
　　第一章综述，概述了超短脉冲激光技术的发展与应用，周期量级超短激光脉冲与物质的相互作用以及量子相干控制的研究概况，并且介绍了当前这一重要课题的研究现状。
　　第二章推导了不采用旋波近似和慢变包络近似下的全波麦克斯韦—布洛赫方程，并对时域有限差分法和预估校正法作了细致的阐述。
　　第三章模拟了周期量级超短激光脉冲分别在稀疏和稠密的Ladder型三能级原子介质中的传播特性。我们发现，超短脉冲在稠密介质中传播时脉冲及介质各能级粒子布居的时间演化规律与在稀疏介质中明显不同，而且这种差别将随初始脉冲面积的增大而加大。当入射脉冲面积为8π时，对于稀疏介质情况，脉冲波形及粒子布居数在传播过程中仅呈现出微小的变化，但对于稠密介质情况，脉冲分裂为不同数目的子脉冲，在不同的传播距离处波形及粒子布居数均明显不同。产生以上差别的原因有两方面:稠密原子介质中近偶极—偶极(NDD)相互作用导致的局域场修正(LFC)及比稀疏原子介质更强的极化电场的影响，其中比稀疏原子介质更强的极化电场的影响起着主要的作用。
　　第四章研究了失谐对周期量级激光脉冲在Ladder型三能级原子介质中传播行为的影响。研究结果表明，在共振情况下，在传播过程中脉冲形式(包括载波包络位相、脉冲持续时间、振荡幅度和频率)明显改变甚至脉冲分裂将会发生，输出脉冲与输入脉冲大不相同；在非共振情况下，一般改变失谐也能使脉冲形式在传播过程中发生显著的变化；然而，当一个适当的失谐存在时，在传播过程中的自感应透明能够实现，与输入脉冲精确相同的输出脉冲可以被得到。
　　第五章研究了在Ladder型三能级原子介质中传播的周期量级超短激光脉冲于不同时刻处的脉冲波形及介质粒子布居的空间分布特性。研究表明，不同面积的超短脉冲在介质中传播时脉冲波形及介质各能级粒子布居的空间分布规律明显不同。随着脉冲面积的增大，脉冲振荡次数减少，振幅增大，传播速度增大，介质各能级粒子布居振荡次数也增多。而且粒子布居的空间分布与脉冲波形的空间分布密切相关。
　　第六章讨论了单光子共振(两个脉冲的中心频率分别与原子系统两个跃迁频率相等)以及完全非共振(两个脉冲的中心频率与原子系统两个跃迁频率皆不相等)情况中，在ladder型三能级原子介质中传播的双色超短脉冲波形及频谱特性对相对载波包络位相的依赖性。结果表明:在单光子共振情况中，相对载波包络位相对小面积双色脉冲的传播形式及频谱特性有显著的控制作用。相对载波包络位相的大小可以决定脉冲振幅大小、传播速度快慢、脉冲分裂与否及子脉冲数目多少。通过改变相对载波包络位相的数值可以获得更宽的频谱宽度及更高的光谱强度特别是高频分量的光谱强度。当入射双色脉冲面积增大时，脉冲波形及频谱特性对相对载波包络位相的依赖性有所减弱。在非共振条件下，可得到展宽较大的频谱，但不同相对载波包络位相的取值对脉冲波形及频谱特性的影响并不明显。
　　第七章总结了本论文的主要研究成果，并对进一步开展的工作提出了设想。

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第一章 综 述

§1.1 超短激光脉冲技术的发展及应用

§1.2 超短激光脉冲与物质相互作用的研究意义及现状

§1.3 本论文的研究目的和意义

第二章 数值计算方法

§2.1 麦克斯韦与场方程

§2.2 三能级系统 Bloch 方程的推导

§2.3 Maxwell 方程

§2.4 数值计算方法

第三章 周期量级激光脉冲在不同密度的原子介质中传播行为的比较

§3.1 引 言

§3.2 理论模型

§3.3 数值计算及分析

§3.4 小结

第四章 失谐对周期量级激光脉冲在三能级原子介质中传播行为的影响

§4.1 引 言

§4.2 数值计算及分析

§4.3 小结

第五章 不同面积的周期量级脉冲在原子介质中的空间分布特性

§5.1 引 言

§5.2 数值计算及分析

§5.3 小结

第六章 Ladder 型介质中双色脉冲共振传播的 RCEP 控制

§6.1 引 言

§6.2 数值计算及分析

§6.3 小结

第七章 总结与展望

§7.1 全文总结

§7.2 进一步开展的工作

参考文献

攻读硕士学位期间完成的论文

致谢