张文静[1]2016年在《相干介质对极端驱动场响应的研究》文中认为不同条件下光与相干介质间相互作用的研究一直是量子光学领域的研究热点之一该研究将有助于人们更好地了解和认识外场与物质互作用过程的微观机制。随着激光技术的不断发展,极端条件下的光场获取已成为可能,如超强的少周期超短脉冲。当此少周期超短脉冲与量子系统相互作用时又引发了许多新的物理现象,比如载波包络相位效应,因而给量子态操控带来了新的问题。与此同时,随着激光强度的增加,光场与相干介质相互作用时非线性效应的影响也越来越显著。本文围绕不同极端驱动场作用下的相干介质响应展开研究,主要工作如下：(1)讨论了双色少周期超短脉冲实现布居的超快转移。建立了相应的模型,对布居演化进行数值模拟并给出了近似解析解。结果表明,在双色少周期超短脉冲(大于两个光学周期)驱动下,借助中间态可以实现布居向目标能级转移。同时,发现用延时的或同步的少周期超短脉冲在共振或远离共振时可实现有效的受激拉曼散射。有关少周期超短脉冲实现超快布居转移的理论研究结果将有助于拓展少周期超短脉冲在相干控制等领域的应用。此外,数值结果显示,当少周期超短脉冲宽度小于两个光学周期或者特定条件下时,在布居转移过程中将表现出显著的CEP效应。(2)研究了不同强驱动条件下两能级极性分子的响应。此部分采用非零对角元偶极矩阵的两能级模型分析偶极分子系统在受到几种不同驱动外场作用时系统的布居动力学过程,如单色周期场、线性场、抛物线型场及双曲函数场等。借用合流休恩方程给出了对应情况下适用于所有参数取值范围的精确解析解。此外,在解析求解的过程中并未采用旋波近似。(3)讨论了非线性克尔效应对纯化两能级原子态实现单光子水平共振荧光最佳压缩影响的相关问题。首先,论证了通过合理设计准共振腔的库环境来实现优化原子共振荧光压缩态的可行性及具体方法。然后在此基础上,讨论了在克尔介质中实现原子态纯化时受到非线性效应的影响。数值计算表明,负克尔系数的非线性效应在特定条件下将有助于光压缩的实现,因失相导致的压缩退化也受到了类似的影响。该结论将有助于将共振荧光最佳压缩方法推广到更多的应用系统中。关于相干介质在不同的驱动场作用下的性质研究是基本的重要的课题,我们的工作主要探讨了双色超短强场驱动条件下的布居转移,强场作用下的极性分子布居动力学,克尔效应对单光子水平共振荧光的影响等问题。在具体分析讨论中,采用的参数均为实验参数,因此相信我们的研究结果将能被实验证实,从而为相关研究领域及应用提供有益的参考。
孙刚[2]2006年在《超短脉冲在等离子体中的自压缩》文中研究表明随着激光技术特别是超短脉冲啁啾放大技术的发展,激光脉冲宽度已经进入了飞秒的范围,激光的输出功率也提高了5-6个量级。超短脉冲激光的聚焦强度(激光强度)已经达到了1021W/cm2,甚至更高的强度。这种强度的激光可以产生远远大于原子内电场的超强电场,同时也产生了大于1011bar的超高压和104T的超强磁场,可以产生温度高达109K的黑体辐射。在这样强的电场中,电子的振荡速度接近光速。这给许多应用学科带来巨大的冲击和机遇,极大的拓展了物理学的研究领域,由此促进了强场物理的发展。激光等离子体相互作用的研究作为强场物理的重要组成部分,在脉冲激光的压缩、等离子体自聚焦、粒子加速技术、等离子体镀膜技术、以及实现“快点火”激光核聚变等方面有着更深入的研究。其中强激光脉冲在气体、疏松材料固体等介质中传输时的自聚焦,引起了诸如激光脉冲的自压缩,成丝以及产生孤子的现象。而激光脉冲在等离子体中的传播过程中同样出现了脉冲压缩、产生孤子以及孤子对、形成电子和离子的密度空泡等现象。激光脉冲在非线性介质传输过程中自相位调制效应与群速色散效应同时作用。其中SPM所导致的频移将随着传输距离的增加而不断增大,即脉冲在传输过程中将不断产生出新的频率成分。这些新产生的光子扩大了脉冲激光光谱的带宽,可产生更短的脉冲。而由色散所引起的啁啾效应并不产生新的频率,而只是对脉冲所包含的各种频率成分进行重新安排。文章通过对激光等离子体相互作用的非线性薛定谔方程进行分析,具体研究了等离子体密度、激光脉冲的脉宽以及强度等参量影响下飞秒强激光脉冲在等离子体中的自压缩行为。结果表明在等离子体密度接近临界密度、激光光强接近相对论光强的范围内,随着激光脉冲宽度、激光强度的增大,飞秒强激光脉冲在等离子体中传播的自压缩现象越明显。等离子体密度越大,GVD效应增强,从而削弱了飞秒强激光脉冲在等离子体中传播的自压缩行为。其中SPM效应总是起主要作用,因而激光脉冲在等离子体中的传输过程中呈现出明显压缩的现象。
胡强林[3]2007年在《超短脉冲强激光等离子体中的参量调制与电磁辐射》文中提出高能量超强超短脉冲激光的出现,迅速地推动了惯性约束核聚变(ICF)研究的发展。ICF“快点火”概念的提出,使超强超短脉冲激光与等离子体的相互作用研究成为世界各强国极度关注的焦点。在以军事武器装备、国防安全为目的的巨资投入、探索创新研究的带动下,形成了学术界强场物理、强场化学、极端条件产生等当今国际上相对独立的三个重大研究前沿。近二十年的研究进展速度惊人,并开始步入应用。物质在强激光场作用下发生电离是上述三大前沿领域在研究中必遇的共性现象,通常将激光电离产生的等离子体视为完全离化的带电粒子,相互作用体系所有的线性与非线性物理过程本质上是由激光电磁场和等离子体静电场支配。但在实际的相互作用中,尤其是在高Z物质靶产生的等离子体中,靶原子却难以完全电离。部分离化的原子(离子)在激光场作用下必然发生极化,从而产生极化场。原子极化场(束缚电子相关)及其与激光电磁场、等离子体静电场(自由电子相关)在相互耦合中的竞争如何修改相互作用研究的已有结果以及将导致什么新的物理现象,是人们关注的热点。另外,等离子体是一种无损伤阈值的特殊物质形态,带电粒子复杂的运动会导致各种形式的电磁辐射,通过超短强激光脉冲对等离子体的激励作用来产生人们极力寻找的高功率电磁辐射源,尤其是高功率太赫兹(THz)辐射源,成为人们关注的焦点。本学位论文正是针对上述两个方面开展理论研究:1.推导出强激光脉冲在部分离化等离子体中传播时的群速度和相速度,在相互作用过程中光子数守恒的假设下,研究了部分剥离原子极化对激光脉冲的自聚焦、光子加速、纵向压缩、以及调制不稳定性等物理现象的非线性作用。结果表明,在部分离化等离子体中,激光脉冲的自聚焦和光子加速比完全离化等离子体中要快得多,同时,原子极化场的存在,会在部分离化等离子体中形成正常色散和反常色散的竞争,从而导致通常的脉冲纵向压缩和调制不稳定性现象发生大的变化;2.从激光在等离子体中传播的色散关系出发,针对原子或部分剥离原子(离子)在强激光场作用下的电离问题,讨论了电离过程对激光频率的调制作用。我们发现,气体原子在激光场中的电离快慢,决定介电函数的响应速率,从而也决定了电离对激光脉冲频率产生调制的快慢,在部分离化等离子体中,激光频率越高,部分离化原子的极化对激光频率蓝移的贡献也越大;3.从麦克斯韦方程组和流体方程出发,采用微扰理论研究了强激光脉冲与部分离化等离子体相互作用产生的准静态磁场,讨论了部分剥离原子极化场对准静态自生磁场的修正。结果显示,在高密度部分离化等离子体中,当激光频率较高时,原子极化场的存在会使回旋自生磁场大大增强,尤其重要的是会导致磁场方向的改变,这将引起超热电子输运的散束现象,对超热电子“快点火”极为不利;4.根据达朗伯方程,探索了超短强激光脉冲在等离子体中诱导THz辐射的可能性,找出了THz辐射产生的条件。研究表明,通过超短激光脉冲驱动的等离子体电流,在激光脉冲群速度大于辐射波相速度的条件下可以产生强THz电磁辐射,辐射频率约为激光脉宽的倒数量级;5.从强激光脉冲作用下等离子体的介电函数出发,通过对激光产生快电子的Cherenkov辐射的研究,发现了THz波发射的另一种产生途径。结果证明,在快电子速度略小于激光脉冲群速度时,能够产生Cherenkov型强THz电磁辐射。本学位论文的主要创新为:1.揭示了部分剥离原子的极化场对激光-等离子体中准静态自生磁场的重要修正作用,尤其是极化场会改变自生磁场方向的结论属首次报道;2.揭示了部分剥离原子的极化在相互作用中对激光脉冲的参量调制规律;3.从理论上证明了强激光脉冲在等离子体中能够诱导高功率THz电磁辐射,并给出了THz辐射产生的条件。
吕昆[4]2011年在《强短激光脉冲作用下原子激发机制研究》文中指出本论文利用数值计算得到的准确的在强激光辐照下原子中电子的波函数信息,分析了激发电子和电离电子在强激光场中的动力学行为,阐明了在强短脉冲作用下原子的激发机制。具体的工作如下:一、研究原子激发的光强效应,在隧穿区,原子激发的产额比电离产额小一个数量级左右。激发态的布居呈现出双峰结构,一个峰值主要布居在较低激发态,随着光强的增加,其布居相对于另一个峰值逐渐减小,另一个峰值在较高激发态,随着场强的增加向更高的激发态移动。二、通过分析激发态波包的含时演化,可以得出在强短脉冲作用下的原子的激发机制主要由隧穿产生。激发电子在较低激发态的布居的峰值由隧穿激发电子在激光电场作用下回到核区形成。三、研究了激发产额和在激发态布居分布随激光脉冲载波包络相位的变化。和电离产额相比,在八个光学周期的脉冲条件下,激发信号对相位的变化更为灵敏。
曹晓超[5]2017年在《时域空心超短脉冲的时空演化及与原子的相互作用研究》文中提出近些年来,随着超短脉冲制造技术的不断提高,实验室中已能获得阿秒级脉宽的亚周期超短脉冲。在超短脉冲领域,仍然蕴藏着很多新物理等待人们进一步研究。现有的理论中,常用的载波-包络近似、旋波近似等模型,在超短脉冲持续时间进入单周期甚至亚周期时,存在严重的问题,导致非物理的结果。所以迫切需要有更完美的理论来研究超短脉冲的特征。我们从振荡电偶极子的电磁辐射理论出发,加入改进的复点源方法,求得了超短激光脉冲的解析表达式。与缓变包络近似方法不同的是,这个表达式是麦克斯韦方程组的严格解,可以用来表征任意脉宽的超短激光脉冲。以往的空心光束研究往往集中在空间域空心光束,而我们在论文中提出一种时域型空心超短脉冲。当阶数n = 0的时候它就是一束高斯型超短脉冲。随着阶数的增加,这束高斯型超短激光脉冲的线型慢慢扁平化,凹陷,从而演变成时域型空心超短脉冲。该束超短脉冲可以视为两束相位相关联,时域上相邻的激光光束,而且两束超短脉冲之间的时间间隔只与阶数及特征时间常数有关。接着分析了时域空心超短脉冲在自由空间中的传输特性。数值模拟显示,不管是单周期还是多周期时域空心超短脉冲,均能在传输较远的距离之后,稳定保持原有的时域空心特征。在远离光轴区域,还发现了时空耦合效应导致的脉冲线型“凹陷”现象。之后,我们验证了时域空心脉冲光束的内稟啁啾现象,发现随着解析表达式的阶数增大,单周期超短脉冲内稟啁啾线型出现与电场包络类似的时域空心现象。多周期超短脉冲的内禀啁啾效应可以忽略。超短脉冲与等离子体的相互作用是近年来强场物理领域的研究热点。综合考虑等离子体中连续性方程,动力学方程,并联立麦克斯韦方程组,得到了超短激光脉冲在等离子体中传播时的相对介电常数,并引入碰撞系数和相对论因子。等离子体中的电子被超短脉冲尾流场加速过程中,会产生相对论质量变化,并导致脉冲在等离子体中传输时呈现纵向自压缩效应。自压缩效应导致脉冲的电场包络脉宽减小,时域空心超短脉冲的前后沿尖峰间距缩小,并有利于脉冲能量的进一步集中提高。但在随后的传输中由于衍射效应和等离子体中的能量耗散,超短脉冲的强度逐渐降低。等离子体介质各向异性导致时域空心超短脉冲的前后沿尖峰呈现不对称线型,但在相对论传输中逐渐恢复其对称性。时域空心超短脉冲的阶数越低,或者等离子体特征频率越大,自压缩效应越明显。碰撞效应会影响等离子体介质的各向异性,增加超短脉冲传输时的能量耗散,但基本不影响其脉宽的压缩。此外,我们计算了时域空心超短脉冲在等离子体中传输时非线性效应引起的啁啾的演化。利用时域空心脉冲的解析表达式,我们计算了超短脉冲和铷原子相互作用过程中的光力效应。在超短脉冲作用下,处在矢量脉冲电场中的中性原子,可以获得相当于1011倍重力加速度的加速效果。横向光力的方向与超短脉冲的失谐方向以及中性原子的初态等有关。对处于基态的铷原子,具有较大红失谐的超短脉冲可以实现良好的聚焦效应。时域空心超短脉冲阶数越高,脉冲持续时间越短,光力越大。从光力的动力学演化来看,随着超短脉冲的传输,由于时空耦合效应,光力的“聚焦”效应会逐渐减弱。进一步增大拉比频率时,模拟显示超短脉冲的光力可用于原子运动的时序控制。最后,我们验证了初始相位对光力线型的影响。计算结果对将来原子光学方面的实验有一定的指导意义。
陆培芬[6]2013年在《分子排列控制超短脉冲非线性效应研究》文中提出超短强激光脉冲在空气中传输时,会引发一系列的光学非线性效应,例如,光学克尔自聚焦、多光子电离、等离子体散焦、自相位调制、自陡峭效应、群速度色散等。当克尔自聚焦和等离子体散焦达到动态平衡时,介质中将形成一条传输距离远远大于瑞利长度的自引导的光丝通道。线偏振的超短脉冲激光在空气中传输时,将改变空气中的N2和O2分子的排列方向,泵浦脉冲结束之后,被激发的空气分子表现出无外场条件下的周期性排列回复的行为。本论文以空气分子的无外场排列控制超短脉冲的传输为基础,主要研究了分子排列对于光丝中的三次谐波产生和等离子体光栅的调制作用,提出了一种基于分子排列的超快光学偏振门,并且应用这种偏振门的特性,从原理性实验上实现了基于分子排列的超快光学成像。具体工作可以分为以下几个部分：一、利用空气介质中的无外场分子排列,提出一种基于分子排列的超快光学偏振门。分析此偏振门的基本特性,包括双折射效应,瞬时开关时间,周期性回复,空间上的类透镜作用,以及频谱调制。二、原理性实验上实现了基于空气分子排列的超快光学成像方法。实验中,通过泵浦探测技术,写脉冲将图像信息加载到分子排列中,预排列分子作为缓冲存储器,读脉冲在特定延时下经过预排列分子后,读取图像信息,实现了二维单色成像,全息成像以及彩色成像。三、研究了空气分子排列对于光丝中的三次谐波产生过程的影响。通过分析分子排列对介质的线性以及三阶非线性极化率的改变,发现当分子的排列方向与探测光丝的偏振方向相同时,光丝中的三次谐波增强。同时,还分析了分子排列对三次谐波的频谱调制,比较了探测光丝中基波和三次谐波光谱受分子排列影响的异同。四、研究了空气分子排列对等离子体光栅的线性和非线性方面的影响。在预排列分子中形成的等离子体光栅,由于分子排列相关的电离率导致了等离子体光栅的线性衍射效率的变化。同时,分子排列通过对三阶非线性极化率的调制,操控等离子体光栅增强的三次谐波的转换效率。五、研究了泵浦光丝对于后续共线传输的探测光丝的影响。通过测量探测光丝产生的等离子密度的变化,分别研究了泵浦光丝产生的等离子体和尾波中的分子排列对于探测光丝的钳制强度和电子密度的调制。同时,还分析比较了两光丝零延时附近的克尔效应,等离子效应,以及分子排列的作用。
敖广红[7]2015年在《Ⅱ-Ⅵ族无机半导体与卟啉材料的超快光学非线性研究》文中研究指明半导体材料,包括有机和无机半导体是目前备受关注的非线性光学材料,它们具有大的光学非线性和快的响应时间,在光限幅、光开关、红外探测、光存储等方面具有重要应用。本文以II-VI族无机化合物体半导体和有机半导体四苯基卟啉为主要研究对象,综合利用Z-scan、时间分辨PO泵浦探测和时间分辨瞬态吸收光谱等实验手段,结合含色散脉冲传播方程、能级模型和热致非线性理论,对两种半导体材料的非线性光学性质及相应的超快动力学进行了研究。该研究丰富半导体材料非线性光学研究内容和理论内涵,对半导体材料在非线性光学领域的应用具有指导意义,主要研究内容如下:将实验研究和理论分析相结合,主要针对超短脉冲在II-VI族半导体中传播时的明显展宽现象进行研究。利用PO泵浦探测实验证明800 nm,200 fs激光脉冲在3 mm厚Zn S体半导体传播中存在明显的脉冲宽度展宽现象,这种展宽现象主要来源于超短脉冲在Zn S传播过程中产生的群速色散效应(Group Velocity Dispersion GVD)。Z-scan技术进一步证明GVD对Zn S体半导体的非线性吸收和折射特性都有不可忽略的影响,并最终影响其光学非线性参数的正确提取。因此本章从理论上构建了考虑GVD影响的超短脉冲光强和相位传播方程,基于该方程的数值拟合与实验结果实现了很好的符合,并准确地提取了Zn S体半导体的非线性参数。另外该方程也很好地解释飞秒脉冲在Zn Se、Zn Te和Cd S半导体中传输因GVD而引起的展宽现象,充分证明了该传播方程的正确性和普适意义。该研究对于超短脉冲与体半导体以及其他固体材料非线性相互作用的研究具有指导和借鉴意义。将Z-scan,皮秒泵浦探测及飞秒瞬态吸收光谱技术有机结合,研究了以四苯基卟啉TPP为母体的一系列卟啉化合物的非线性吸收特性,重点分析了氮反转,外围给/受体取代和中心金属离子取代三种分子结构改变方式对卟啉非线性吸收性质的影响。研究结果表明氮反转破坏了TPP母体分子结构对称性,形成的氮反转卟啉(NCTPP)的线性吸收谱与TPP相比发生了明显红移,且单重态第一激发态的寿命(S1t)也明显缩短。给电子基团(Methoxy OMe)取代基卟啉TPP(OMe)4的非线性吸收在ps时域发生了饱和吸收(SA)到反饱和吸收(RSA)的转换,TPP(OMe)4的泵浦探测和飞秒瞬态吸收光谱实验都证明其与TPP相比具有非常快的内转换速率。Z-scan,皮秒泵浦探测及飞秒瞬态吸收光谱结果都表明吸电子基团(Cyan CN)取代基卟啉TPP(CN)4的非线性吸收和激发态动力学过程与母体TPP类似,这主要与CN中较为稳定的碳氮三键有关系。另外飞秒瞬态吸收光谱还表明在NCTPP大环中心引入二价过渡族金属离子Ag2+、Zn2+、Ni2+、Cd2+和Mn2+都可以不同程度地加速激发态内转换速率,这种加速作用与各个过渡金属原子d层电子组态有密切的关系,d电子组态中电子数目越少,就越有利于激发状态下电子从卟啉转移到金属原子的d电子组态中,加快内部转换速率。该研究对新型卟啉半导体材料的开发有重要的指导意义。在研究TPP及其衍生物非线性吸收性质的基础上,用Z-scan技术研究了一系列TPP及其衍生物在皮秒和纳秒时域的光学非线性折射特性,重点分析了氮反转、给/受体外围取代、中心金属离子取代对相应卟啉材料非线性折射性质的影响。结果表明给/受体取代基卟啉TPP(CN)4和TPP(OMe)4的有效非线性折射系数n2eff和二阶超极化率γ在皮秒和纳秒时域相对于母体TPP都有显著增强。NCTPP的两种中心金属(Zn2+和Cu2+)配合物及给/受体取代基衍生物NCTPP(CN)4和NCTPP(OMe)4的纳秒时域Z-scan实验结果表明金属离子(Zn2+和Cu2+)和给/受体取代基(OMe和CN)的引入对NCTPP的非线性折射没有明显的调制作用。另外研究表明卟啉材料在钠秒时域的非线性折射来源于电子云畸变产生的非线性折射和热效应引起的热致非线性折射的共同作用,通过理论分析定量地确定了两种折射机制对卟啉材料非线性折射的贡献。
郝作强, 张杰[8]2004年在《超短脉冲强激光在空气中的传输》文中研究表明超短脉冲强激光在空气中传输时由于非线性克尔自聚焦效应会使激光光束聚焦 ,造成空气的离化而形成等离子体 ,等离子体对激光光束又会产生散焦作用 ,这两种过程的动态平衡可以形成很长的等离子体通道 ,从而产生一系列复杂而有趣的现象 .文章对通道形成的机理、锥角辐射、超连续谱和三次谐波的产生进行了阐述 ,并介绍了目前等离子体通道形成的几种理论模型 .文章还对通道内的各种复合和辐射机制进行了分析
徐妙华, 陈黎明, 李玉同, 远晓辉, 刘运全[9]2007年在《超短脉冲强激光与固体靶相互作用中Kα射线的实验研究》文中研究说明在相对论激光强度下,对p偏振30fs激光与固体Cu靶相互作用中产生的Kα射线进行了实验研究.采用刀边成像技术和单光子计数X射线CCD相结合的探测装置,在单发激光脉冲打靶时同时得到X射线源的尺寸、能谱以及Kα光子的转换效率等多种信息.实验结果与Reich等人的理论计算结果有明显的差异,Kα光子的能量转换效率在激光功率密度为1·6×1018W/cm2的条件下达到最大值7·08×10-6/sr.根据这一结果并结合蒙特卡罗程序,推断出在这一聚焦光强下激光能量转换为前向超热电子的效率约为10%.
张绍银, 许长谭, 艾树涛[10]2009年在《超短脉冲圆极化激光场的一阶修正描述及加速效应》文中提出研究了超短脉冲圆极化激光场的一阶修正场,通过数值计算,探讨了入射电子的动力学特性,发现了超短脉冲圆极化激光场中的加速现象。通过研究电子的动力学特性与脉宽的关系发现,近轴近似方程在利用1/ω归一化后,脉宽τ0≤30时(ω为激光频率),仍然适用;而在脉宽τ0>30时,近轴近似方程与一阶修正方程的计算结果出现偏离。在事例功τ0=100和τ0=300中,采用一阶修正场方程,研究了电子束团的能量分布与空间分布的特征,发现在脉宽τ0=300的情况下,加速电子数目增多,而且电子束能够发生汇集。
参考文献：
[1]. 相干介质对极端驱动场响应的研究[D]. 张文静. 西北大学. 2016
[2]. 超短脉冲在等离子体中的自压缩[D]. 孙刚. 山东师范大学. 2006
[3]. 超短脉冲强激光等离子体中的参量调制与电磁辐射[D]. 胡强林. 北京工业大学. 2007
[4]. 强短激光脉冲作用下原子激发机制研究[D]. 吕昆. 吉林大学. 2011
[5]. 时域空心超短脉冲的时空演化及与原子的相互作用研究[D]. 曹晓超. 浙江大学. 2017
[6]. 分子排列控制超短脉冲非线性效应研究[D]. 陆培芬. 华东师范大学. 2013
[7]. Ⅱ-Ⅵ族无机半导体与卟啉材料的超快光学非线性研究[D]. 敖广红. 哈尔滨工业大学. 2015
[8]. 超短脉冲强激光在空气中的传输[J]. 郝作强, 张杰. 物理. 2004
[9]. 超短脉冲强激光与固体靶相互作用中Kα射线的实验研究[J]. 徐妙华, 陈黎明, 李玉同, 远晓辉, 刘运全. 物理学报. 2007
[10]. 超短脉冲圆极化激光场的一阶修正描述及加速效应[J]. 张绍银, 许长谭, 艾树涛. 光学学报. 2009
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