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超短脉冲载波包络相位相关效应的研究

黄培  
【摘要】:超短激光脉冲具有极短的持续时间和极强的峰值功率,它在物理、化学、生物以及交叉科学领域都有非常吸引人的应用前景,如控制物理化学过程飞秒化学、生物光子成像等。当超短脉冲持续时间只有少数几个光学周期的时候,称为周期量级超短脉冲,此时脉冲的载波-包络相位(Carrier-envelope-phase,CEP)成为影响光与物质作用微观过程的重要因素。研究超快脉冲的CEP相关效应并发展测量CEP的可行性理论是现代光学一项非常有意义的研究。超短脉冲在介质中的传播可以产生亚周期脉冲,因此传播问题也是人们感兴趣的课题。本论文采用数值计算的方法,分别研究了周期量级超短脉冲与少能级原子系统相互作用的CEP相关效应及其在介质中的传播产生亚周期脉冲的特性。主要内容如下: 1).研究了强场超短脉冲与两能级原子系统作用产生的高次谐波(High-order Harmonic Generation, HHG)在其截止区的CEP相关效应。具体研究了对于高斯脉冲载波-包络相位分别为φ=0和φ=0.5π两种情况下绝热态能级的能量和截止区的高次谐波随入射脉冲的变化。通过数值分析发现,两能级模型产生高次谐波和绝热态的能量都是随入射电场的CEP紧密相关的。同三步模型一样,两能级原子模型中的高次谐波在截止区的特性也是具有CEP相关效应的。 2).探讨了超短脉冲与半导体双耦合量子点(Coupled-quantum-dot, CQD)三能级系统相互作用的CEP相关效应。通过数值计算分析了两个量子点组成的CQDs系统发生电子隧穿之后右边量子点的粒子数分布关于CEP的相关性,研究结果表明两个量子点之间的隧穿在不同的系统参数条件下都对CEP极度敏感,这种相位敏感性比冷原子介质中束缚态的原子相干和量子拍对CEP的相关性要大。 3).对比分析了5fs的超短脉冲在周期性两能级稠密介质中传播时,近偶极-偶极(Near-dipole-dipole, NDD)相互作用对产生亚周期孤子脉冲的影响。考虑稠密介质中NDD相互作用造成的影响时,发现孤子脉冲的传播群速度比不考虑NDD相互作用时要快,并且孤子传播过程中频率会出现低频成分,但从介质中出射的脉冲不受其影响。在介质密度更大的情况下,孤子脉冲在周期性介质中传播时由于介质表面反射增强会逐渐耗散,因此研究该模型可以直接忽略NDD相互作用的影响。 4).提出了在三能级半导体耦合双量子阱(Coupled-quantum-well, CQW)系统中利用超短脉冲的传播特性产生更短的亚周期脉冲的方案。在半导体耦合量子阱中,研究了入射面积分别为2π和4π的超短脉冲的传播,发现2π脉冲在介质中会逐渐衰减,但4π脉冲传播过程中可以产生亚周期脉冲。由于固体CQW介质具有更大的参数可调性,我们认为该方案在产生亚周期脉冲方面有较好的应用前景。 超快光学是非线性光学领域一门日新月异飞速发展的科学。我们的工作在一个相对较低的强度范围内研究了超短光脉冲与束缚态能级相互作用的有关特性,对超短脉冲CEP的控制与测量以及如何产生更短亚周期脉冲提出了相应的方案,对超快光学的发展具有一定的参考意义。


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