超短激光脈沖在V型三能級原子介質(zhì)中的動力學特性研究.pdf

1、周期量級超短激光脈沖與物質(zhì)相互作用是國際上近年來興起的激光物理學前沿課題。開展周期量級超短激光脈沖在原子、分子等介質(zhì)中引起的極端非線性光學特性研究，能夠豐富非線性光學內(nèi)容，并將促進光物理、量子信息科學及阿秒科學等新興或交叉學科的發(fā)展。量子相干控制也是國際上近年來興起的前沿研究領(lǐng)域，周期量級超短激光脈沖與物質(zhì)相互作用中的量子相干控制研究作為交叉前沿，具有重要的科學意義和潛在的應(yīng)用價值。 基于光與物質(zhì)相互作用的半經(jīng)典理論，用Maxw

2、ell方程描述電場，用密度矩陣方程描述介質(zhì)。本學位論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，對極端非線性光學條件下，周期量級超短激光脈沖在V型三能級原子系統(tǒng)中的傳輸特性和頻譜特性進行了理論研究，并分析了各能級的粒子數(shù)布居，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.對稠密的Rb原子介質(zhì)中，周期量級超短激光脈沖的傳播特性和各能級粒子數(shù)布居進行研究，結(jié)果表明：超短

3、脈沖在稀疏介質(zhì)和稠密介質(zhì)中的傳播規(guī)律明顯不同，稀疏介質(zhì)中，由于載波電場時間導(dǎo)數(shù)的影響，脈沖的后沿出現(xiàn)微弱振蕩。稠密介質(zhì)中，由于宏觀極化強度的增強，脈沖的前沿和后沿均出現(xiàn)快速振蕩成分，且入射脈沖面積越大，振蕩現(xiàn)象越明顯。稠密介質(zhì)中，由于介質(zhì)折射率的增大，脈沖群速度變小，又由于載波效應(yīng)增強，脈沖更容易發(fā)生分裂。在入射介質(zhì)處，稀疏介質(zhì)中粒子數(shù)布居可以實現(xiàn)長時間的反轉(zhuǎn)，而在z≠0μm處，粒子數(shù)布居僅在光場不為零的地方產(chǎn)生拉比振蕩，面積越大，拉比

4、振蕩的次數(shù)越多。 稠密介質(zhì)中，考慮和不考慮LFC效應(yīng)兩種情況下，脈沖的傳輸特性和各能級粒子數(shù)布居也明顯不同?？紤]LFC效應(yīng)時，脈沖的群速度較大，NDD相互作用促進了脈沖的傳播和分裂，并且脈沖面積越小NDD相互作用的影響越顯著。粒子布居拉比振蕩發(fā)生的時間較早，NDD相互作用加快了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)?？紤]和不考慮LFC效應(yīng)兩種情況下，載波的相位差明顯不同，絕對相位可以相差π。 2.在第四章研究的基礎(chǔ)上，首次討論了躍遷電偶極矩的比值

5、對周期量級激光脈沖的傳輸特性和各能級粒子數(shù)布居的影響。結(jié)果表明，兩躍遷偶極矩的比值γ對脈沖的傳輸特性具有顯著的影響。γ不同，入射面積為某些閾值時，脈沖傳輸過程中分裂的脈沖數(shù)發(fā)生改變。γ≤1的情況下，考慮LFC效應(yīng)時，脈沖群速度減小，NDD相互作用延緩了脈沖的傳播和分裂。脈沖傳播出現(xiàn)時間延遲現(xiàn)象，入射脈沖面積越小，延遲現(xiàn)象越顯著。入射面積相同時，γ越小，由于脈沖的有效面積減小，脈沖延遲現(xiàn)象也更加顯著。兩躍遷偶極矩的比值對稠密介質(zhì)中的粒子數(shù)

6、布居反轉(zhuǎn)出現(xiàn)的時間和振蕩的次數(shù)也具有顯著的影響，γ不同，入射面積為某些閾值時，粒子數(shù)布居發(fā)生拉比振蕩的次數(shù)發(fā)生改變。γ≤1時，考慮LFC效應(yīng)時粒子數(shù)反轉(zhuǎn)出現(xiàn)的時間較晚，NDD相互作用延緩了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。 3.通過數(shù)值模擬具有不同初始相位的周期量級激光脈沖的傳播特性，結(jié)果表明，對于大面積的脈沖，由于強的自相位調(diào)制作用，周期量級激光脈沖的載波和相應(yīng)的光譜對初始相位具有很強的敏感性。分裂子脈沖的相位差要大于主脈沖的相位差，子脈沖的傳播

7、距離顯著不同，與φ=0π時相比，φ=0.5π時脈沖的傳播發(fā)生了延遲現(xiàn)象，隨著傳播距離的增大，延遲現(xiàn)象更加明顯。 脈沖的頻譜出現(xiàn)振蕩特性，隨著傳播距離的增加，這種振蕩特性表現(xiàn)的更加明顯。對于大面積脈沖，由于自相位調(diào)制作用頻譜被展寬，頻譜中出現(xiàn)高頻成分，高頻成分的振幅隨著傳播距離的增大而增大，出現(xiàn)較為顯著的連續(xù)波。脈沖面積一定，脈寬較大時，脈沖較容易發(fā)生分裂，且共振頻率附近的振蕩較為強烈。脈寬較小時，脈沖頻譜中的高頻成分比較顯著。其

8、它條件一定，初始相位不同時，由于相干效應(yīng)的不同，脈沖頻譜受到初始相位的影響，但不足以引起高頻成分的顯著變化。φ=0.5π時頻譜中高頻成分的連續(xù)性比φ=0π時好，高頻成分比較均勻，呈現(xiàn)良好的平坦性。 4.通過數(shù)值分析和模擬，研究了共振條件下，雙色超短脈沖在稀疏介質(zhì)中的傳輸特性和頻譜特性，并分析了各能級的粒子數(shù)布居。結(jié)果表明：初始相對載波包絡(luò)相位對脈沖的傳播和分裂都有很大的影響。隨著相對相位的增加，雙色場的相干作用增強，脈沖的振幅變

9、小，脈寬變大，分裂子脈沖的數(shù)目也會減少。相對相位較小時，色散作用對脈沖傳輸特性的影響較為顯著。相對相位也直接影響各能級粒子數(shù)布居的演化，隨著相對相位的增加，粒子數(shù)布居產(chǎn)生拉比振蕩的次數(shù)減少。在入射界面處，通過調(diào)整相對相位可以實現(xiàn)粒子布居長時間的反轉(zhuǎn)。初始相對載波包絡(luò)相位不同時，由于相干效應(yīng)的不同，雙色場的拉比頻率和載波拉比振蕩受到相對相位的影響，引起高頻成分的顯著變化。傳播距離一定時，隨著初始相對相位的增大，頻譜的振幅減小，高頻成分逐漸

10、減弱甚至消失。在共振頻率附近，透射光譜的振蕩特性強烈依賴于初始相對相位和兩脈沖的時間間隔。 5.研究了稠密的Rb原子介質(zhì)中，雙色超短脈沖的傳輸特性和頻譜特性，并分析了各能級粒子數(shù)布居特性。結(jié)果表明：在稠密介質(zhì)中，隨著初始相對相位的增大，脈沖前沿的振蕩相對增強而后沿的振蕩減弱。與考慮LFC效應(yīng)時相比，不考慮LFC效應(yīng)時，脈沖的傳播出現(xiàn)延遲現(xiàn)象，隨著初始相對相位的增大，延遲現(xiàn)象更加顯著，NDD相互作用促進了脈沖的傳播和分裂。隨著粒子

11、數(shù)密度的增加，由于四波混頻和自相位調(diào)制的影響，光譜特性受到很大的影響，光譜發(fā)生分裂，光譜成分發(fā)生移動。原中心頻譜逐漸消失，光譜的藍移（高頻成分）和紅移（低頻成分）發(fā)生。藍移頻帶的振幅大于紅移頻帶的振幅。初始相對相位越小，光譜紅移和藍移的現(xiàn)象越明顯。頻譜的振幅主要取決子粒子數(shù)密度，粒子數(shù)密度越大，頻譜的振幅越小。初始相對相位對頻譜的振幅也具有一定的影響，頻譜的振幅隨著相對相位的增大而減小，相應(yīng)的高頻成分逐漸減弱。 全文內(nèi)容共分為九

12、章，前三章主要介紹當前這一研究課題的研究現(xiàn)狀、主要內(nèi)容和研究方法。第一章為緒論，概述了超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，周期量級超短激光脈沖與物質(zhì)的相互作用以及量子相干控制的研究概況。第二章介紹了周期量級脈沖傳播的基礎(chǔ)理論。首先給出了脈沖電場的復(fù)函數(shù)表示形式，簡單分析了脈沖載波相位的物理意義，然后簡述了周期量級脈沖放大中的主要效應(yīng)，并簡單介紹了傳統(tǒng)的面積定理。第三章給出研究超短脈沖激光與物質(zhì)相互作用的半經(jīng)典數(shù)值計算方法，先推導(dǎo)出描述三能級原