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《山东师范大学》 2012年
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Doppler展宽的准Λ型四能级系统无反转激光相关控制的理论研究

刘中波  
【摘要】:物质的光学性质和光学过程的相干控制研究是当前世界上光学研究中重要而活跃的前沿领域之一。相干控制的研究不仅有重要的理论意义,而且在量子光学、非线性光学、量子信息和光通讯等领域内都有重要的应用价值。原子相干现象在很多方面都具有潜在的应用价值,而在众多的原子相干现象中,无粒子数反转激光(Lasing WithoutInversion简称LWI)引起了人们更大的兴趣和特别的重视。作为一种产生激光的新型机制,应用无粒子数反转激光可以在应用传统激光理论和方法很难甚至不可能产生激光的高频光谱区(X-射线甚至γ-射线区)产生激光,因此无粒子数反转激光的研究具有广阔的应用前景。 在前人研究工作的基础上,本论文从不同方面对Doppler展宽的准∧型四能级原子系统中LWI的相干控制进行了深入的理论研究。全文内容共分八章: 第一章为综述,介绍了了相干控制和无粒子数反转激光的研究意义及研究历史和现状,解释了无粒子数反转激光的研究方法(密度矩阵方法)和与无反转激光相关的SGC效应和Doppler效应。 第二章:研究了在探测场和驱动场方向相同和相反两种情况下,Doppler展宽的开放的准∧型四能级原子系统中自发辐射诱导相干(SGC)对无反转激光(LWI)增益的影响。研究结果表明:(1)一般来说,对于固定的SGC强度,LWI增益将随Doppler展宽宽度的增加而减小,但不管Doppler展宽是否明显,通过选取适当的SGC强度即表示SGC效应的两个因子p_1和p_2的大小,总可以获得比不存在SGC时大的LWI增益。(2)p_1和p_2的变化对LWI增益的影响程度有较大的差别,且随Doppler展宽宽度的变化而改变。(3)在探测场和驱动场方向相反情况,当Doppler展宽宽度足够大时,增益会出现振荡,振荡幅度随SGC强度的增大而增大。(4)粒子注入速率及退出速率也会对与SGC相关的LWI增益产生明显的影响。(5)当探测场和驱动场方向相同时可获得比方向相反时更大的LWI增益。(6)开放系统可得到远大于相应封闭系统的LWI增益。 第三章:从不同角度研究了Doppler展宽的具有自发辐射诱导相干的封闭准Λ型四能级原子系统中探测场和驱动场之间的相对位相(φ)对探测场无反转增益(吸收)和色散的控制作用。研究结果表明:探测场增益(吸收)和色散对φ值的变化是非常敏感的,Doppler展宽宽度的改变也对吸收(增益)和色散特性有显著的影响。探测场与驱动场同向传播情况下,对于相同的Doppler展宽宽度,φ=α的色散曲线与φ=α+π/2的增益(吸收)曲线是相同的;然而,当探测场与驱动场反向传播情况下,对于相同的Doppler展宽宽度,φ=α的色散曲线与φ=α+π/2的增益(吸收)曲线是不同的,并且这个差别随Doppler展宽宽度的增大而更加明显。在探测场和驱动场同向和反向传播两种情况下,增益(吸收)和色散总是随φ值的变化而周期性改变,周期为2π。通过选择适当的φ值,可以得到最大的增益(吸收)和色散,无吸收高色散也可以被实现。一般说来,增益随Doppler展宽宽度的增大而变小,但通过调节φ值的大小,当Doppler展宽宽度取某些特殊值时可以得到比不存在Doppler展宽时更大的增益。我们的研究还表明,在探测场和驱动场同向传播时可以得到比反向传播时更大的增益。 第四章:研究了在探测场和驱动场传播方向相同和相反两种情况下,在Doppler展宽的具有自发辐射诱导相干(SGC)的开放的准∧型四能级原子系统中,探测场和驱动场之间的相对位相(φ)对无反转增益(GWI)的影响。研究结果表明: (1)使GWI存在的探测场失谐(Δ_p)的取值范围及GWI的大小对(φ)值的变化是非常敏感的。当其他参数保持不变时,通过调节φ的取值,可以获得最大增益。(2)Doppler展宽宽度(D)值的改变也对位相相关的GWI有显著的调制作用。当D较小时,选择φ=π,当D较大时,选择φ=π/2,可以获得最大的GWI。(3) GWI极大值(G_(max))随φ的改变作周期性变化,周期为2π,但具体的变化规律与D值的大小密切相关。(4)在其他参数不变的情况下,当探测场和驱动场传播方向相同时可获得比方向相反时更大的GWI;在探测场与驱动场传播方向相同情况也具有更大的可以获得GWI的D值。(5)退出速率(R_0)及粒子注入速率比(s)也对与位相相关的GWI产生明显的影响。一般说来,G_(max)随R 0的增加先增大后减小,G_(max)随s的增大而逐渐增大。(6)通过适当选取退出速率(R_0)及粒子注入速率比(s)的值,开放系统可得到远大于相应封闭系统的GWI。(7)在Doppler存在的情况下,相对于探测场与驱动场传播方向相同的情况来说,当传播方向相反时,改变R0和s的值对与相位相关的增益有更大的影响。 第五章:研究了在封闭准∧型四能级原子系统中Doppler效应、自发辐射诱导相干(SGC)及其它系统参量对无反转增益(GWI)和无反转激光(LWI)场(即探测场)空间演化的影响。研究结果表明:Doppler效应存在时,一般说来,探测场与驱动场传播方向相同时比相反时可以得到大得多的GWI和LWI场强度;通过调节Doppler宽度和SGC强度,可以得到比无Doppler效应(D = 0)时更大的GWI和LWI场强度。(3)SGC强度越大,可以获得的GWI和LWI场强度越大,有SGC效应时可获得比无SGC效应时大得多的GWI和LWI场强度。(4)选取适当的探测场失谐值、入口处驱动场和泵浦场Rabi频率,可以明显增大GWI和LWI场强度。 第六章:研究了在探测场和驱动场传播方向相同和相反两种情况下,在Doppler展宽的具有自发辐射诱导相干的封闭准∧型四能级原子系统中探测场和驱动场之间的相对位相(φ)对传播效应的影响。研究结果表明:(1)探测场和驱动场之间的相对位相(φ)对GWI和LWI场的空间演化规律有明显的影响;Doppler展宽宽度(D)值的改变也对位相相关的GWI和LWI场有显著的调制作用;在φ取固定值的情况下,存在GWI的传播距离随D值的增大而变大;LWI场强度的大小决定于GWI的大小和存在GWI的传播距离的长短两个因素;选取适当的φ和D值,存在Doppler效应时可以得到比无Doppler效应(D = 0)时更大的GWI和LWI场强度。(2)Doppler效应存在时,光场的传播方向对GWI和LWI场强度空间演化有显著的影响,选择探测场与驱动场传播方向相同,可以获得更大的GWI和LWI场强度。 第七章:主要利用数值计算结果详细研究了在准∧型四能级原子系统中Doppler效应、自发辐射诱导相干(SGC)对无反转增益(以下简称增益)瞬态演化的影响。研究结果表明:(1)增益瞬态演化对SGC强度的变化是十分敏感的。SGC强度越大,瞬态增益极大值和稳定增益值越大。有SGC效应时可获得比无SGC效应时大得多的瞬态增益和稳定增益。(2)Doppler效应存在时,Doppler展宽宽度(D)值和光场传播方向的改变对与SGC相关的增益瞬态演化有显著的影响。瞬态增益极大值和稳定增益值随D值的增大先变大后变小;但瞬态增益最大值和稳定增益最大值并不对应相同的D值;D值越大,增益达到稳定值所需的演化时间越长。选取适当的D值,存在Doppler效应时可以得到比无Doppler效应(D = 0)时更大的稳定增益。探测场和驱动场传播方向相同时可以得到远大于传播方向相反时的瞬态和稳定增益。 第八章研究了在探测场和驱动场传播方向相同和相反两种情况下,在Doppler展宽的具有自发辐射诱导相干(SGC)准∧型四能级原子系统中,探测场和驱动场之间的相对相位(φ)对无反转增益(GWI)瞬态演化的影响。研究结果表明:(1)探测场和驱动场之间的相对相位(φ)对GWI和探测场强度的瞬态演化规律有明显的影响,对泵浦场和驱动场的增益瞬态演化规律只有很小的影响;Doppler展宽宽度(D)值的改变也对相位相关的GWI有显著的调制作用;在φ取固定值的情况下,D值越大,增益达到稳定值所需的传播时间越长;D值不同时,对应增益极大值的演化时间也不同;最大瞬态增益和最大稳定增益并不对应相同的D值;选取适当的φ和D值,存在Doppler效应时可以得到比无Doppler效应(D = 0)时更大的增益。φ=0和φ=π(φ= 0.5π和φ= 1.5π)的瞬态演化曲线近似关于Imρ_(1 3) = 0的轴对称。(2)探测场与驱动场传播方向相同时,可以获得更大的GWI。
【学位授予单位】:山东师范大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:O431.2

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