激光短脉冲激发外场中里德堡波包动力学性质的研究

摘要

从二十世纪九十年代开始，原子物理中里德堡原子电子波包的量子控制的研究就已经开始，所有此领域的工作的共同点在于使用短脉冲激光产生里德堡态电子波包。里得堡波包是研究经典与量子力学之间的关系的一个理想模型，随着激光与锁相脉冲技术的迅速发展，外场中里德堡原子与短脉冲的相互作用成为研究里德堡波包动力学的一种重要手段。各种各样相干控制的理论和实验也随之产生，如泵浦—探测技术、锁相脉冲技术与半经典理论相结合的里德堡波包干涉法。通过实验已经观测到不存在任何外场的里德堡原子被一束短脉冲激发产生的径向定域波包，波包在很短时间内的运动是沿经典轨道的。但是，一段时间之后，由于波包在演化过程中会产生分裂和复现，波包的演化会变得很复杂；因此真实原子体系的波包动力学性质是非常复杂的。 应用电子波包分析量子体系的动力学性质也是近年来研究量子—经典对应关系的一个重要方面。而自动关联函数是反映波包动力学性质的一个重要参量，并且在实验上是一个可观测量，因而如何计算体系的自动关联函数已经成为一个亟待解决的问题。计算自动关联函数可以有多种方法，最为直接的一种方法将t时刻的波包表示为体系的各个本征态的叠加，然后求交叠积分的值。但是，实际上只有极少数的几种特殊情况可以用这种方法。另外一种方法是含时的半经典传播方法，将波包表示成一些径直传播的小子波的和的形式，应用这种方法可以求得运动场的自动关联函数。 在本课题中，我们采用半经典闭合轨道理论和微扰理论相结合的方法给出了外场中原子或负离子的自动关联函数。结果显示，无论是在单脉冲还是在双脉冲情况下，自动关联函数都可以表示成许多修正的高斯项的和的形式，其中每一个修正的高斯项来源于闭合轨道理论中振子强度密度中的振荡项。自动关联函数中的每一个修正的高斯项表现为一个峰，峰的中心位置、高度、宽度以及其它性质可由激光短脉冲和闭合轨道理论中的一系列的参数来表征。 对于利用外场中里德堡原子与短脉冲的相互作用来研究氢里德堡波包动力学的性质，本文在以前工作的基础上作了进一步的探索。我们的工作既是对半经典理论的推广，又是对该理论的验证和完善。因为H原子体系是一个在实验上可以被测量的体系，所以从另一方面来说，我们得到的结果对于实验研究具有重要的参考意义，同时也有助于对更复杂的体系，如He、碱金属原子体系开展研究。 论文共分为五章。第一章为综述，主要从总体上介绍了半经典闭合轨道理论和波包动力学理论的发展，我们所选的课题以及本文重点进行的工作。第二章介绍了激光短脉冲激发外场中里德堡波包的物理图像和计算里德堡波包的自动关联函数的几种方法，引入了标度律的概念。在第三章中，我们将自动关联函数表示为包含振子强度密度和短脉冲激光的傅立叶变换的一个积分，利用半经典闭合轨道理论和微扰理论的方法，给出了外场中原子或离子的自动关联函数的计算公式。第四章以磁场中的氢里德堡原子为例，利用第三章中给出的公式，研究了激光单脉冲情况下，氢里德堡波包的自动关联函数与时间有关的部分的模随时间的演化，讨论了脉冲宽度对自动关联函数的影响。在本文的最后一章，我们分别讨论了双脉冲情况下，延迟时间和相位参数对自动关联函数的影响。

目录

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第一章综述

第二章激光短脉冲激发外场中里德堡波包的物理图像

第三章外场中里德堡波包的自动关联函数

第四章激光单脉冲激发磁场中氢里德堡波包的自动关联函数

第五章激光双脉冲激发磁场中氢里德堡波包的自动关联函数

第六章结论与展望

附录A磁场中氢原子部分闭合轨道的性质B=5.96T

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢