少周期啁啾高斯脉冲在多能级原子介质中传播特性的研究

论文摘要

激光与物质的相互作用研究是现代物理学的一个重要领域,超短脉冲激光在原子或分子介质中的传播性质是目前一个重要的研究课题。近二十年来,周期量级超快超强激光技术迅速发展,为探讨极端非线性光学条件下量子相干控制提供了强有力的手段,基于高功率超短脉冲激光光源的产生以及各种脉冲整形技术的相继出现,量子相干控制也成为光学领域的前沿研究课题。以光与物质相互作用的半经典理论为基础,用Maxwell方程描述电场,用密度矩阵方程描述介质。本学位论文利用时域有限差分法和预估校正法,求解不包含旋波近似和慢变幅近似的Maxwell-Bloch方程,对极端非线性光学条件下,少周期啁啾高斯脉冲在Λ型三能级原子系统中的传输特性和光谱性质进行研究,取得了一系列创新性的研究成果。主要内容和结果如下:1.研究了介质粒子数密度的大小对飞秒Gauss型激光脉冲传播及光谱特性的影响。研究发现,介质粒子数密度的大小对飞秒Gauss型激光脉冲传播及光谱特性有显著的影响,而且这个影响与脉冲面积密切相关。面积较小的2π脉冲在粒子数密度较小和较大的稀疏介质以及粒子数密度更大的稠密介质中传播时,脉冲皆不发生分裂,脉冲频谱基本没有新的高频成分产生;但与稀疏介质情况相比,稠密介质中光谱强度分布出现了明显的红移和蓝移,中心频率附近光谱强度明显减小,红移和蓝移部分的强度显著增大并产生振荡。面积为4π的脉冲,在粒子数密度较小的稀疏介质中传播时没有发生明显发生分裂,脉冲频谱略有展宽,随着传播距离的增大,高频成分强度增大;在粒子数密度较大的稀疏介质和稠密介质中传播时,主脉冲都分裂为两个子脉冲,在粒子数密度较大的稀疏介质中的频谱展宽远大于稠密介质。面积更大的8π脉冲,在粒子数密度较小的稀疏介质中传播时的情况与4π脉冲类似;在粒子数密度较大的稀疏介质和稠密介质中传播时的情况则与4π脉冲大不相同,主脉冲都分裂为三个子脉冲,在粒子数密度较大的稀疏介质中的频谱展宽远小于稠密介质。我们的数值计算结果表明,面积大于2π但小于5π的脉冲的传播及光谱性质与以上所描述的4π脉冲情况类似,面积等于或大于5π的脉冲的传播及光谱性质与以上所描述的8π脉冲情况类似。2.研究了飞秒啁啾Gauss型激光脉冲在稠密Λ型三能级原子介质中的传播。研究结果表明,啁啾系数（C）的正负及大小的变化对脉冲传播特性有显著的影响,而且这个影响与脉冲面积的大小密切相关。面积小于4π的啁啾脉冲,在介质中传播时不发生分裂,且啁啾脉冲逐渐演化为一个近似的无啁啾（C=0）脉冲,这一特点不随啁啾系数的改变而改变;但啁啾系数的变化将改变脉冲的振幅和群速度。正啁啾（C>0）情况,振幅和群速度随C的增大而减小;负啁啾（C<0）情况,振幅和群速度则不随C的绝对值的增大而单调地增加或减小。面积等于4π和面积大于4π的啁啾脉冲,在介质中传播时都将分裂成不同数目和形状的子脉冲,脉冲分裂的早晚和数目决定于啁啾系数的正负及大小。但是,两种情况下脉冲分裂方式大不相同,啁啾系数影响也不同。脉冲面积等于4π时,大啁啾系数导致子脉冲数目增加,而脉冲面积大于4π时,大啁啾系数导致子脉冲数目减少。不管脉冲面积大小,啁啾系数正负及大小的变化都对介质粒子数布居产生明显的影响。3.研究了稠密Λ型三能级原子介质中传播的飞秒啁啾Gauss型激光脉冲的光谱特性。研究结果表明,啁啾系数（C）的正负及大小的变化对脉冲光谱有显著的影响,而且这个影响与脉冲面积的大小密切相关。小面积2π脉冲经过介质时,不发生分裂,但是脉冲逐渐演化为一个近似的无啁啾（C=0）脉冲,脉冲光谱中基本上没有新的高频成分产生,但随着C的数值的增大,脉冲频谱的红移频带和蓝移频带振荡幅度加大,但蓝移频带的振荡更为剧烈;且脉冲光谱中心频率附近强度明显减小,蓝移频带强度明显增大。面积为4π的脉冲在介质内传播时,脉冲光谱中有新的高频成分产生,但高频成分强度较小,与小面积2π情况相似,光谱中蓝移频带振荡剧烈,另外,随C的数值的增大,高频成分强度明显减小。大面积8π啁啾脉冲通过介质时,脉冲分裂与4π脉冲情况相似,但可得到比4π脉冲情况强度更大、频率更高、频率范围更广的超连续谱;改变啁啾系数的大小和正负,不能产生新的高频成分,但是可以改变光谱中不同频率成分的强度,从而能获得具有更高强度的高频分量。4.通过数值分析和模拟,研究了初始相位对飞秒啁啾Gauss型脉冲在稠密Λ型三能级原子介质中传播特性的影响。研究结果表明,具有不同初始相位φ0的小面积2π负啁啾（或2π正啁啾脉冲）不发生分裂,都演化为近似无啁啾脉冲,各个脉冲在介质中的传播速度相同,并且各个脉冲的相位差与初始入射脉冲情况时的相位差相同。具有不同φ0的负啁啾4π脉冲在介质中传播时至少分裂成两个子脉冲,且第一子脉冲的振幅远大于第二子脉冲的振幅;其中各主脉冲分裂出的第一子脉冲的振幅相同、传播速度相同,各第一子脉冲在介质中传播时保持了与初始脉冲情况相同的相位差;而各主脉冲分裂出的第二子脉冲的振幅不同,且不随φ0的线性增大而单调的变化,而是呈现一个倒S型变化,各第二子脉冲的相位差也不再相同。具有不同φ0的正啁啾4π脉冲与负啁啾4π脉冲传播情况相似,但是与负啁啾4π脉冲情况不同的是,正啁啾4π脉冲分裂出的第二子脉冲的振幅随初始相位的线性增大无明显变化。具有不同φ0的大面积6π负啁啾脉冲至少分裂为三个子脉冲,其中第一子脉冲或第二子脉冲的振幅远大于第三子脉冲的振幅;与4π脉冲情况相似,各个主脉冲分裂出的第一子脉冲（或第二子脉冲）振幅相同,各第一子脉冲（或第二子脉冲）的相位差与初始入射脉冲情况时的相位差相同;各个主脉冲分裂出的第三子脉冲振幅不同,并且随φ0的线性增大,各第三子脉冲的振幅呈现正S型变化,各第三子脉冲的相位差也不再相同。正啁啾6π脉冲情况与负啁啾6π脉冲情况相似,但是与负啁啾6π脉冲情况不同的是,具有不同φ0的正啁啾6π脉冲分裂出的第三子脉冲的振幅随φ0的线性增大,呈现倒S型变化。5.我们研究了利用飞秒啁啾Gauss型双脉冲实现高效稳定的相干粒子数布居转移的方法。研究结果表明,当两个面积相等、啁啾系数（C）数值大小相等的飞秒正、负啁啾Gauss型脉冲（下面简称为双脉冲）叠加在一起在Λ型三能级原子介质中传播时,两脉冲之间发生相干作用,调节啁啾系数数值的大小,可以改变双脉冲的复合脉冲形状即脉冲电场分布,同时影响复合脉冲电场与原子之间的相互作用,从而控制介质粒子数布居的振荡过程和取值。选择适当的啁啾系数数值可以将低能级的粒子完全激发到高能级,且粒子数布居稳定分布。研究还表明,对任意面积的双脉冲,都能通过调节啁啾系数大小,实现高效稳定的粒子数布居转移。这一结论不因脉宽或粒子数密度的变化而改变。全文内容共分为九章。前三章主要介绍当前该研究课题的研究现状、主要内容和研究方法。第一章为绪论,简要介绍了超短激光脉冲的发展及应用,超短激光脉冲与物质的相互作用研究现状。第二章介绍了超短激光脉冲传播理论基础,首先给出了脉冲电场的复函数表示形式及啁啾Gauss型脉冲的表达式,简单分析了脉冲啁啾及载波相位的物理意义,然后介绍了超短脉冲传播中主要的非线性光学现象。第三章推导了描述三能级原子体系的Maxwell-Bloch方程,并详述了利用时域有限差分法（FDTD）和预估校正法（PC）编程求解M-B方程的过程。从第四章到第八章是应用上述方法和理论所做的具体的研究工作,主要结果在上面已经提及。最后在第九章中总结了本论文得到的主要结论及创新点,并对下一步要深入开展的工作做出简单介绍。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 超短激光脉冲发展及应用简介
• 1.2 超短激光脉冲与物质的相互作用研究现状
• 1.3 研究超短激光脉冲传播特性的重要性
• 1.4 本论文的安排
• 第二章 超短激光脉冲传播理论基础
• 2.1 激光脉冲电场的一般表述
• 2.1.1 光脉冲电场的复数表示
• 2.1.2 啁啾Gauss 型脉冲的表达式
• 2.2 几种非线性光学现象
• 2.2.1 面积定理
• 2.2.2 群速度色散
• 2.2.3 自相位调制
• 2.2.4 四波混频
• 第三章 Λ型三能级系统的Maxwel-Bloch方程
• 3.1 Maxwell 方程
• 3.2 三能级系统 Bloch 方程
• 3.2.1 密度矩阵方程
• 3.2.2 三能级系统Bloch 方程
• 3.3 时域有限差分法与预估矫正运算方法
• 第四章 Λ型三能级原子介质中粒子数密度对飞秒Gauss型脉冲传播及光谱特性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 理论模型
• 4.3 数值计算结果及分析
• 4.4 小结
• 第五章 飞秒啁啾 Gauss 型脉冲在稠密Λ型三能级原子介质中的传播特性
• 5.1 引言
• 5.2 数值计算结果与分析
• 5.2.1 啁啾对Gauss 型脉冲演化特性的影响
• 5.2.2 不同啁啾Gauss 型脉冲对介质粒子数布居演化的影响
• 5.3 小结
• 第六章 稠密Λ型三能级原子介质中传播的飞秒啁啾 Gauss 型脉冲的光谱特性
• 6.1 引言
• 6.2 数值计算结果及分析
• 6.3 小结
• 第七章 初始相位对飞秒啁啾Gauss型脉冲在稠密Λ型三能级原子介质中传播特性的影响
• 7.1 引言
• 7.2 数值计算结果及分析
• 7.2.1 2π啁啾脉冲对初始相位的依赖性
• 7.2.2 4π啁啾脉冲对初始相位的依赖性
• 7.2.3 6π啁啾脉冲对初始相位的依赖性
• 7.3 小结
• 第八章 飞秒啁啾 Gauss 型双脉冲实现高效稳定的相干粒子数布居转移
• 8.1 引言
• 8.2 数值结果及分析
• 8.3 小结
• 第九章 总结与展望
• 9.1 总结
• 9.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢