Λ型三能级原子系统中光学性质相干控制及周期量级激光脉冲传播的研究

摘要

本论文主要进行了两个方面的理论研究工作：一方面对非均匀展宽的人型三能级系统中无反转激光及量子相干控制进行理论研究；另一方面，采用时域有限差分法和预估校正运算法则数值求解麦克斯韦—布洛赫方程，模拟了周期量级激光脉冲在稠密的Lambda型三能级原子系统中的传播过程。全文内容共分八章，内容如下： 第一章为综述，对无粒子数反转激光，相干控制和无粒子数反转激光产生的基本原理以及超短激光脉冲的发展和应用作了简单的阐述，介绍了当前这一研究课题的研究现状和研究内容。 第二章讨论了封闭的人型三能级系统中Doppler展宽对LWI增益的影响，研究发现：不惯探测场和驱动场是同向传播还是反向传播，驱动场是失谐还是共振，系统获得的GWI都不随Doppler展宽值的增大而单调地减小或增大：除探测场和驱动场反向传播且驱动场失谐的情况外，在一定的条件下，选择适当的Doppler展宽值，可以得到比不存在Doppler效应时大得多的GWI：尤其是当探测场和驱动场同向传播且驱动场共振时，获得的GWI更大。另外，我们的研究还表明，在探测场和驱动场反向传播情况下，Doppler展宽值足够大时，增益出现振荡，振荡的区域和幅度随着Doppler展宽值的增大而增大。这些结论是与以前关于封闭人型系统中Doppler展宽对LWI增益影响的研究结果(即增益(或强度)随Doppler展宽值的增加而单调减小)大不相同的。 第三章在第二章研究的基础上首次讨论了自发辐射诱导相干对Doppler展宽的封闭八型系统中探测场无反转增益的影响，结果表明：不管探测场和驱动场是同向传播还是反向传播，在Doppler展宽值较小时，存在SGC时系统可获得明显大于不存在SGC效应时的LWI增益；存在SGC效应时LWI增益所对应的探测场失谐的取值范围明显大于不存在SGC效应时的取值范围；Doppler展宽值一定时，LWI增益的极大值不随SGC强度的增大而单调地减小或增大，选择合适的SGC强度值，可获得最大的LWI增益。 第四章首次研究Doppler展宽的封闭系统中探测场和驱动场之间的相对位相对探测场的增益和粒子数布居的控制作用。结果发现：(1)不管探测场和驱动场是同向传播还是反向传播，驱动场是失谐还是共振，无反转增益总是随相对位相的改变而作周期性变化，周期为2π。(2)驱动场共振时，无反转增益极大值随Doppler展宽值的增大而单调减小，且反向传播时比同向传播时减小的速度更快；驱动场失．谐时，无反转增益的极大值随Doppler展宽值的增大不再单调地减小或增大。在以上两种情况下，均可以通过调节相对相位的数值而得到最大的无反转增益。(3)自发辐射诱导相干性对无反转增益的贡献远大于动力学相干性的贡献。 第五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一布洛赫方程，并对时域有限差分法和预估校正运算法则作了细致的阐述。 第六章采用时域有限差分法和预估校正运算法则数值求解了不采用旋波近似和慢变包络近似下的全波麦克斯韦一布洛赫方程，模拟了周期量级脉冲在稠密Lambda型三能级原子介质中的传播特性，研究结果发现：超短脉冲在稀疏介质和稠密介质中的传播规律有明显的不同；在稀疏介质中，由于电场时间导数项的影响，脉冲的后沿出现振荡；在稠密介质中，脉冲的前沿和后沿均出现振荡；大面积脉冲在稀疏介质中传播时不发生分裂，而在稠密介质中传播时发生分裂：在稠密介质中脉冲的传播延迟于在稀疏介质中脉冲的传播，入射脉冲面积越大，差别越明显。脉冲在稀疏介质和稠密介质中传播过程中的粒子数布居演化情况明显不同。另外在稠密介质中，考虑和不考虑LFC两种情况下，脉冲的拉比频率的时间演化规律明显不同：由于NDD相互作用会增强和减弱光与物质的相互作用，导致考虑NDD相互作用时脉冲的振幅大于和小于不考虑NDD的情况；对大面积脉冲，脉冲发生分裂，脉冲发生分裂，子脉冲间的间距随着传播距离的增加而增大，而且考虑LFC时的子脉冲间的间距小于不考虑LFC时两脉冲的间距；原子密度大的介质内，考虑和不考虑LFC两种情况下，能级|1>，|2>和|3>上的粒子数布居的分布明显不同；入射脉冲的面积越大，LFC对脉冲和粒子数布居的影响越大。 第七章研究了单色周期量级激光脉冲在稀疏介质和稠密介质中传播时的脉冲频谱演化规律，结果发现：不管是在稀疏介质中还是在稠密介质中，由于自相位调制作用，频谱均被展宽，而在稠密介质中频谱的宽度要远大于稀疏介质中的情况，这主要是由于近偶极-偶极作用导致的。在稠密介质中，由于近偶极-偶极作用和自相位调制作用，频谱出现高频连续波，可以得到最高频率为10ωρ的超连续谱。第八章对双色周期量级激光脉冲在稠密的八型三能级原子介质中的传播特性进行了研究，结果发现两色脉冲的初始相位对脉冲的时间演化有很大的影响，脉冲的分裂现象与稀疏介质明显不同。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章综述

§1.1引言

1.1.1量子相干控制

1.1.2无粒子数反转激光产生的基本物理机制

1.1.3超短脉冲激光技术的发展与应用

§1.2研究现状

1.2.1相干控制研究现状

1.2.2无粒子数反转激光的研究现状

1.2.3超短脉冲激光与介质相互作用研究现状

§1.3本论文的研究目的及意义

§1.4本论文的安排

第二章封闭的∧型三能级系统中Doppler展宽对LWI增益的影响

§2.1引言

§2.2系统模型与运动方程

§2.3 Doppler展宽对无反转增益的影响

§2.4数值计算结果与讨论

2.4.1驱动场共振(△d=0)的情况

2.4.2驱动场失谐(△d≠0)的情况

2.4.3在探测场和驱动场同向传播情况下，驱动场共振和失谐时增益的比较

§2.5不同非相干泵浦方式计算结果的比较

§2.6讨论

§2.7结论

第三章自发辐射诱导相干对Doppler展宽的封闭∧型系统中探测场无反转增益的影响

§3.1引言

§3.2运动方程

§3.3数值结果分析

3.3.1驱动场共振的情况

3.3.2驱动场失谐的情况

3.3.3 p值的影响

§3.4结论

第四章Doppler展宽的封闭∧型系统中的相位控制研究

§4.1引言

§4.2系统模型与运动方程

§4.3数值计算结果与讨论

4.3.1驱动场共振的情况

4.3.2驱动场失谐的情况

§4.4讨论

§4.5结论

§4.6实际原子模型

第五章数值计算方法

§5.1麦克斯韦与场方程

§5.2三能级系统的Bloch方程的推导

§5.3 Maxwell方程

§5.4数值计算方法

第六章单色周期量级激光脉冲在稠密∧型三能级原子介质中的传播

§6.1引言

§6.2理论模型

§6.3数值计算结果及分析

6.3.1稀疏介质和稠密介质

6.3.2稠密介质中考虑和不考虑LFC

§6.4结论

第七章周期量级激光脉冲在稠密的∧型三能级原子介质中传播时的频谱分析

§7.1引言

§7.2数值计算

§7.3结论

第八章两色周期量级激光脉冲在稠密∧型三能级原子介质中的传播

§8.1计算结果

8.1.1稀疏介质

8.1.2稠密介质

§8.2结论

第九章总结与展望

§9.1全文总结

§9.2进一步开展的工作

附录

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢