论文摘要
本论文主要由四部分构成，系统深入地从Maxwell方程和密度矩阵方程出发研究光在介质中的非共振传输和共振传输，以及介质的光学性质。从研究强激光在等离子体隧道中的非共振传输，到光脉冲在反常色散介质中的共振传输及其中出现的群超光速现象，以及在群超光速传输中根据探测中的信噪比和误码率定义的信号速度，并研究了信号速度和光脉冲波形、相位以及传输距离的关系。然后深入到介质的能级结构，从物理本质上分析群超光速传输和慢光传输及其操控。最后是本论文的总结和展望。 第一部分（第一至三章）从理论上研究了超短强激光在等离子体隧道中的传输。第一章介绍了超短强激光在等离子体隧道中传输研究的背景，并回顾了激光-等离子体相互作用物理的基本概念和知识。第二章阐述了超强激光光束在抛物型部分电离的预等离子体（聚焦和散焦）隧道中的传输特性。研究了相对论自聚焦效应和等离子体波引起的密度扰动对传输的影响。从Maxwell方程出发，我们得到了两个包含衍射、三阶强度非线性、等离子体散焦、等离子体隧道聚焦和散焦以及相对论自聚焦等效应在内的激光场演化方程，即折射率方程和Hamilton-Jacobi方程。在此基础上得到了激光在等离子体隧道中传输的包络方程以及光斑半径与传输距离、隧道宽度等初始参量的关系。第三章介绍了求解有非线性源项的傍轴方程的有效方法—源展开方法，并给出了两个具体的例子，即考虑等离子体电子间碰撞的隧道传输解和考虑激光脉冲的有限脉宽效应的隧道传输解。源展开方法的解是电场的四个参数的演化方程，即关于波前曲率、光斑半径、振幅和相位的四个偏微分方程组。 第二部分（第四至六章）在介绍了光脉冲在共振介质中传输一般研究方法的基础上，讨论了光脉冲在色散介质中共振传输时会出现的群超光速传输和慢光传输现象，以及光脉冲在增益反常色散介质中群超光速传输的信号速度。第四章首先概述了共振传输情况时出现的群超光速传输现象的研究历史和研究背景。第五章阐述了光脉冲共振传输的传输方程及其一般求解方法。从波数的展开式和电场强度的Fourier变换，得到光脉冲传输方程，并给出了在光脉冲准单色情况下的求解
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摘要ABSTRACT目录插图目录第一部分 超短强激光在等离子体隧道中的传输研究第一章 前言§1.1 超短强激光的发展以及“快点火”概念的提出§1.2 激光等离子体相互作用物理基础§1.3 超短强激光在等离子体隧道中传输的概述第二章 Hamilton-Jacobi方程在等离子体隧道传输中的应用§2.1 传输方程的推导§2.1.1 折射率方程§2.1.2 Hamilton-Jacobi方程§2.1.3 传输的包络方程§2.2 传输特性§2.2.1 聚焦隧道中的传输§2.2.2 散焦隧道中的传输§2.3 数值模拟结果分析§2.4 等离子体密度扰动对传输的影响§2.4.1 包含等离子体密度扰动的传输方程§2.4.2 包络方程的推导§2.5 小结第三章 源展开方法在等离子体隧道传输中的应用举例§3.1 源展开方法简介§3.2 碰撞等离子体隧道中的传输§3.3 等离子体隧道中传输的有限脉宽效应第二部分 光在反常色散介质中的共振传输及其信号速度研究第四章 前言第五章 光在反常色散介质中的共振传输§5.1 光脉冲在色散介质中传输方程的推导及其求解§5.1.1 传输方程的推导§5.1.2 传输方程的求解和分析§5.2 Gauss和双曲正割脉冲在色散介质中的传输§5.2.1 脉冲传输方程的解§5.2.2 脉冲的传输行为§5.3 小结第六章 光在反常色散介质中传输的信号速度研究§6.1 群超光速（superluminal）传输和慢光（slow light）传输§6.1.1 群速度和相速度§6.1.2 群超光速（superluminal）和慢光（slow light）传输§6.1.3 群超光速（superluminal）传输的解释§6.2 光在反常色散介质中传输的信号速度（signal velocity）§6.2.1 信号速度的定义§6.2.2 信号速度对脉冲波形和相位的依赖关系§6.3 小结第三部分 光在介质中共振传输的物理机制研究第七章 前言§7.1 研究背景概述§7.2 光和二能级原子相互作用的半经典理论§7.2.1 Bloch程中的旋转波近似（RWA）与旋转波框架§7.2.2 旋转波框架下的密度矩阵方程与哈密顿量§7.3 光和二能级原子相互作用的全量子理论§7.3.1 单模光场和二能级原子相互作用的全量子处理方法§7.3.2 Weisskopf-Wigner近似和热库近似下的自发辐射理论§7.4 小结第八章 旋转波框架下的密度矩阵方程及举例§8.1 旋转波框架下的Hamilton量和弛豫项§8.1.1 旋转波框架与相互作用图像§8.1.2 旋转波框架下的Hamilton量和弛豫项的具体形式§8.2 三能级系统举例§8.2.1 Λ型§8.2.2 V型§8.2.3 Ξ型§8.3 小结第九章 基于V型的一种四能级原子研究§9.1 四能级原子在旋转波框架下的密度矩阵及其求解§9.2 驱动光场光强和外加能级弛豫对原子介质光学性质的影响§9.3 小结第四部分 总结和展望第十章 本文内容总结、意义和展望§10.1 第一部分小结§10.1.1 对两种方法的总结§10.1.2 等离子体动理学中Vlasov方程简介§10.2 第二部分小结§10.3 第三部分小结附录§.1 Gaussian单位制下的电磁场理论方程§.1.1 Maxwell方程组§.1.2 Lorentz力方程§.1.3 Vlasov方程§.2 重要结果的推导2）1/2以及a2与Iλ02关系的推导'>§.2.1 有关γ=（1+（?）2）1/2以及a2与Iλ02关系的推导§.2.2 有质动力（ponderomotive force）的定义§.2.3 等离子体密度扰动方程的推导§.2.4 源展开方法补充§.2.5 3.3节中传输方程的推导§.2.6 碰撞等离子体中的电流密度推导§.2.7 Vlasov方程的矩方程证明§.2.8 电场强度算符的推导§.2.9 信噪比中涉及的推导§.2.10 Gauss脉冲在反常色散介质中传输的信噪比和噪声§.2.11 增益和群速度的推导§.3 各种光脉冲传播速度的定义§.3.1 真空中的光速c（the speed of light in vacuum）§.3.2 相速度（phase velocity）§.3.3 群速度（group velocity）§.3.4 波前速度（front velocity）§.3.5 信号速度（signal velocity）§.3.6 能量传输速度（energy transport velocity）参考文献致谢公开发表论文个人简历
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