少周期啁啾高斯脈沖在多能級原子介質(zhì)中傳播特性的研究.pdf

1、激光與物質(zhì)的相互作用研究是現(xiàn)代物理學(xué)的一個重要領(lǐng)域，超短脈沖激光在原子或分子介質(zhì)中的傳播性質(zhì)是目前一個重要的研究課題。近二十年來，周期量級超快超強激光技術(shù)迅速發(fā)展，為探討極端非線性光學(xué)條件下量子相干控制提供了強有力的手段，基于高功率超短脈沖激光光源的產(chǎn)生以及各種脈沖整形技術(shù)的相繼出現(xiàn)，量子相干控制也成為光學(xué)領(lǐng)域的前沿研究課題。
　　以光與物質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論為基礎(chǔ)，用Maxwell方程描述電場，用密度矩陣方程描述介質(zhì)。本學(xué)位論

2、文利用時域有限差分法和預(yù)估校正法，求解不包含旋波近似和慢變幅近似的Maxwell-Bloch方程，對極端非線性光學(xué)條件下，少周期啁啾高斯脈沖在Λ型三能級原子系統(tǒng)中的傳輸特性和光譜性質(zhì)進行研究，取得了一系列創(chuàng)新性的研究成果。主要內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　1.研究了介質(zhì)粒子數(shù)密度的大小對飛秒 Gauss型激光脈沖傳播及光譜特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，介質(zhì)粒子數(shù)密度的大小對飛秒 Gauss型激光脈沖傳播及光譜特性有顯著的影響，而且這個影響與脈沖面

3、積密切相關(guān)。面積較小的2??脈沖在粒子數(shù)密度較小和較大的稀疏介質(zhì)以及粒子數(shù)密度更大的稠密介質(zhì)中傳播時，脈沖皆不發(fā)生分裂，脈沖頻譜基本沒有新的高頻成分產(chǎn)生；但與稀疏介質(zhì)情況相比，稠密介質(zhì)中光譜強度分布出現(xiàn)了明顯的紅移和藍移，中心頻率附近光譜強度明顯減小，紅移和藍移部分的強度顯著增大并產(chǎn)生振蕩。面積為4?的脈沖，在粒子數(shù)密度較小的稀疏介質(zhì)中傳播時沒有發(fā)生明顯發(fā)生分裂，脈沖頻譜略有展寬，隨著傳播距離的增大，高頻成分強度增大；在粒子數(shù)密度較大的

4、稀疏介質(zhì)和稠密介質(zhì)中傳播時，主脈沖都分裂為兩個子脈沖，在粒子數(shù)密度較大的稀疏介質(zhì)中的頻譜展寬遠大于稠密介質(zhì)。面積更大的8?脈沖，在粒子數(shù)密度較小的稀疏介質(zhì)中傳播時的情況與4?脈沖類似；在粒子數(shù)密度較大的稀疏介質(zhì)和稠密介質(zhì)中傳播時的情況則與4?脈沖大不相同，主脈沖都分裂為三個子脈沖，在粒子數(shù)密度較大的稀疏介質(zhì)中的頻譜展寬遠小于稠密介質(zhì)。我們的數(shù)值計算結(jié)果表明，面積大于2??但小于????的?脈沖的傳播及光譜性質(zhì)與以上所描述的4π脈沖情況類

5、似，面積等于或大于5π的脈沖的傳播及光譜性質(zhì)與以上所描述的8π脈沖情況類似。
　　2.研究了飛秒啁啾 Gauss型激光脈沖在稠密Λ型三能級原子介質(zhì)中的傳播。研究結(jié)果表明，啁啾系數(shù)(C)的正負及大小的變化對脈沖傳播特性有顯著的影響，而且這個影響與脈沖面積的大小密切相關(guān)。面積小于???的啁啾脈沖，在介質(zhì)中傳播時不發(fā)生分裂，且啁啾脈沖逐漸演化為一個近似的無啁啾(C=0)脈沖，這一特點不隨啁啾系數(shù)的改變而改變；但啁啾系數(shù)的變化將改變脈沖的

6、振幅和群速度。正啁啾(C>0)情況，振幅和群速度隨C的增大而減?。回撨?C<0)情況，振幅和群速度則不隨C的絕對值的增大而單調(diào)地增加或減小。面積等于??和面積大于??的啁啾脈沖，在介質(zhì)中傳播時都將分裂成不同數(shù)目和形狀的子脈沖，脈沖分裂的早晚和數(shù)目決定于啁啾系數(shù)的正負及大小。但是，兩種情況下脈沖分裂方式大不相同，啁啾系數(shù)影響也不同。脈沖面積等于???時，大啁啾系數(shù)導(dǎo)致子脈沖數(shù)目增加，而脈沖面積大于??時，大啁啾系數(shù)導(dǎo)致子脈沖數(shù)目減少。不

7、管脈沖面積大小，啁啾系數(shù)正負及大小的變化都對介質(zhì)粒子數(shù)布居產(chǎn)生明顯的影響。
　　3.研究了稠密Λ型三能級原子介質(zhì)中傳播的飛秒啁啾 Gauss型激光脈沖的光譜特性。研究結(jié)果表明，啁啾系數(shù)(C)的正負及大小的變化對脈沖光譜有顯著的影響，而且這個影響與脈沖面積的大小密切相關(guān)。小面積2π脈沖經(jīng)過介質(zhì)時，不發(fā)生分裂，但是脈沖逐漸演化為一個近似的無啁啾(C=0)脈沖，脈沖光譜中基本上沒有新的高頻成分產(chǎn)生，但隨著 C的數(shù)值的增大，脈沖頻譜的紅移

8、頻帶和藍移頻帶振蕩幅度加大，但藍移頻帶的振蕩更為劇烈；且脈沖光譜中心頻率附近強度明顯減小，藍移頻帶強度明顯增大。面積為4π的脈沖在介質(zhì)內(nèi)傳播時，脈沖光譜中有新的高頻成分產(chǎn)生，但高頻成分強度較小，與小面積2π情況相似，光譜中藍移頻帶振蕩劇烈，另外，隨C的數(shù)值的增大，高頻成分強度明顯減小。大面積8π啁啾脈沖通過介質(zhì)時，脈沖分裂與4π脈沖情況相似，但可得到比4π脈沖情況強度更大、頻率更高、頻率范圍更廣的超連續(xù)譜；改變啁啾系數(shù)的大小和正負，不能

9、產(chǎn)生新的高頻成分，但是可以改變光譜中不同頻率成分的強度，從而能獲得具有更高強度的高頻分量。
　　4.通過數(shù)值分析和模擬，研究了初始相位對飛秒啁啾 Gauss型脈沖在稠密Λ型三能級原子介質(zhì)中傳播特性的影響。研究結(jié)果表明，具有不同初始相位φ0的小面積2π負啁啾(或2π正啁啾脈沖)不發(fā)生分裂，都演化為近似無啁啾脈沖，各個脈沖在介質(zhì)中的傳播速度相同，并且各個脈沖的相位差與初始入射脈沖情況時的相位差相同。具有不同φ0的負啁啾4π脈沖在介質(zhì)中

10、傳播時至少分裂成兩個子脈沖，且第一子脈沖的振幅遠大于第二子脈沖的振幅；其中各主脈沖分裂出的第一子脈沖的振幅相同、傳播速度相同，各第一子脈沖在介質(zhì)中傳播時保持了與初始脈沖情況相同的相位差；而各主脈沖分裂出的第二子脈沖的振幅不同，且不隨φ0的線性增大而單調(diào)的變化，而是呈現(xiàn)一個倒 S型變化，各第二子脈沖的相位差也不再相同。具有不同φ0的正啁啾4π脈沖與負啁啾4π脈沖傳播情況相似，但是與負啁啾4π脈沖情況不同的是，正啁啾4π脈沖分裂出的第二子脈

11、沖的振幅隨初始相位的線性增大無明顯變化。具有不同φ0的大面積6π負啁啾脈沖至少分裂為三個子脈沖，其中第一子脈沖或第二子脈沖的振幅遠大于第三子脈沖的振幅；與4π脈沖情況相似，各個主脈沖分裂出的第一子脈沖(或第二子脈沖)振幅相同，各第一子脈沖(或第二子脈沖)的相位差與初始入射脈沖情況時的相位差相同；各個主脈沖分裂出的第三子脈沖振幅不同，并且隨φ0的線性增大，各第三子脈沖的振幅呈現(xiàn)正 S型變化，各第三子脈沖的相位差也不再相同。正啁啾6π脈沖情

12、況與負啁啾6π脈沖情況相似，但是與負啁啾6π脈沖情況不同的是，具有不同φ0的正啁啾6π脈沖分裂出的第三子脈沖的振幅隨φ0的線性增大，呈現(xiàn)倒 S型變化。
　　5.我們研究了利用飛秒啁啾 Gauss型雙脈沖實現(xiàn)高效穩(wěn)定的相干粒子數(shù)布居轉(zhuǎn)移的方法。研究結(jié)果表明，當(dāng)兩個面積相等、啁啾系數(shù)(C)數(shù)值大小相等的飛秒正、負啁啾 Gauss型脈沖(下面簡稱為雙脈沖)疊加在一起在Λ型三能級原子介質(zhì)中傳播時，兩脈沖之間發(fā)生相干作用，調(diào)節(jié)啁啾系數(shù)數(shù)值的

13、大小，可以改變雙脈沖的復(fù)合脈沖形狀即脈沖電場分布，同時影響復(fù)合脈沖電場與原子之間的相互作用，從而控制介質(zhì)粒子數(shù)布居的振蕩過程和取值。選擇適當(dāng)?shù)倪毕禂?shù)數(shù)值可以將低能級的粒子完全激發(fā)到高能級，且粒子數(shù)布居穩(wěn)定分布。研究還表明，對任意面積的雙脈沖，都能通過調(diào)節(jié)啁啾系數(shù)大小，實現(xiàn)高效穩(wěn)定的粒子數(shù)布居轉(zhuǎn)移。這一結(jié)論不因脈寬或粒子數(shù)密度的變化而改變。
　　全文內(nèi)容共分為九章。前三章主要介紹當(dāng)前該研究課題的研究現(xiàn)狀、主要內(nèi)容和研究方法。第一章

14、為緒論，簡要介紹了超短激光脈沖的發(fā)展及應(yīng)用，超短激光脈沖與物質(zhì)的相互作用研究現(xiàn)狀。第二章介紹了超短激光脈沖傳播理論基礎(chǔ)，首先給出了脈沖電場的復(fù)函數(shù)表示形式及啁啾 Gauss型脈沖的表達式，簡單分析了脈沖啁啾及載波相位的物理意義，然后介紹了超短脈沖傳播中主要的非線性光學(xué)現(xiàn)象。第三章推導(dǎo)了描述三能級原子體系的Maxwell-Bloch方程，并詳述了利用時域有限差分法(FDTD)和預(yù)估校正法(PC)編程求解 M-B方程的過程。從第四章到第八章