少周期激光脉冲在共振二能级介质中的非线性传播特性研究

论文摘要

光-物质相互作用领域自激光器诞生至今便是光学研究的热门方向。随着激光技术的不断发展,近年来在实验上已经能够产生仅包含几个光学周期的超短激光脉冲,使激光技术在科学领域上的应用日趋蓬勃。超短超强激光脉冲的发展同样使光-物质相互作用研究不断开拓和发展,许多有趣的非线性光学现象先后被人们发现,比如拉比振荡（Rabi flopping,RF）、自感应透明（Self-induced transparency,SIT）和光子回波等。而当少周期脉冲与物质发生相互作用时,除了会产生更强的非线性现象以外,在一定条件下还能够产生脉冲持续时间更短的脉冲,以及在超强光场的调控方面有着突出的优势,因此关于少周期脉冲与物质相互作用特性的研究具有重要意义。少周期激光脉冲是与传统长周期脉冲有着明显特性差异的激光脉冲,因为在少周期脉冲瞬态相干作用中,脉冲载波变化太快导致介质对其响应比较迟缓,从而传统的解析长周期脉冲的缓变包络近似（Slowly varying envelope approximation,SVEA）和旋转波近似（Rotating wave approximation,RWA）都会失效,因此需要对载波精确求解才能研究少周期脉冲的传输效应。本论文将采用时域有限差分（FDTD）法精确数值求解全波麦克斯韦-布洛赫方程（Full-wave Maxwell-Bloch equations）,研究少周期脉冲在共振二能级中的传播特性。论文的主要研究内容如下:1.详细地讨论了少周期脉冲在真空共振二能级介质中传输的现象。包括介质原子数密度对脉冲传输的影响、“面积定理”的极限适用范围、少周期脉冲的自感应透明现象和阿秒量级的脉冲在共振介质中的传输,系统地总结了少周期脉冲在传输时的非线性现象。2.详细地讨论了少周期脉冲在介电共振二能级介质中的传输现象。研究了介电系数对脉冲传输的影响,发现了“压缩效应”,且介电系数越高,脉冲被压缩的越明显;研究了较大面积少周期脉冲在传输时受到介电系数的影响,发现了电介质电介质材料可以弱化载波拉比振荡,使得少周期脉冲传输时载波的变化并不像在自由介质中那样剧烈。本论文为少周期激光脉冲的研究提供了良好的理论基础,并发现了少周期脉冲在电介质材料中传输时的一些特殊效应和现象。这些现象都是此前并未有相关文献报道的,因此能够为超强超短脉冲激光的研究提供一定的启发。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 论文研究背景、国内外发展现状和进展
•   1.3 本论文的主要工作
• 第2章 光-物质相互作用的理论基石—麦克斯韦-布洛赫模型
•   2.1 简介
•   2.2 激光传输的光场表示
•   2.3 光学布洛赫方程
•     2.3.1 密度矩阵方程
•     2.3.2 二能级下的光学布洛赫方程
•     2.3.3 慢变振幅近似（SVEA）和旋转波近似（RWA）下的M-B方程
•   2.4 小结
• 第3章 二能级介质中光脉冲的演化定理及数值求解方法
•   3.1 短脉冲光在介质中的演化规律---自感应透明和面积定理
•   3.2 二能级介质中的麦克斯韦-布洛赫方程
•     3.2.1 非近似下的Maxwell-Bloch方程
•     3.2.2 Maxwell-Bloch方程的归一化
•   3.3 数值迭代求解麦克斯韦-布洛赫方程
•     3.3.1 时域有限差分法（FDTD）介绍
•     3.3.2 预测-纠正算法（Predictor-Corrector Method）
•     3.3.3 四阶龙格-库塔算法（Four-order Runge-Kutta Method）
• 第4章 少周期脉冲在二能级介质中的传输情况
•   4.1 引言
•   4.2 少周期脉冲与自由共振二能级相互作用
•     4.2.1 共振介质原子数密度对脉冲传输的影响
•     4.2.2 不同宽度的脉冲和不同脉冲面积在介质中的传输情况
•     4.2.3 小结
•   4.3 少周期脉冲在介电共振二能级介质中的传输
•     4.3.1 介电系数对少周期脉冲传输的影响
•     4.3.2 小结
•   4.4 本章小结
• 第5章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李佳伟

导师: 曾健华,孙辉

关键词: 光物质相互作用,少周期脉冲,麦克斯韦布洛赫方程,介电共振二能级

来源: 陕西师范大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 陕西师范大学

分类号: TN24

总页数: 65

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