强脉冲激光与原子、分子电离及二态量子系统相干控制机理的理论研究

【摘要】： 超强脉冲激光的出现,对物质的电离和高离化态离子的产生都带来了重大的意义。作为强场物理研究中的重点和本质问题之一,原子、分子以及分子离子的电离为研究强场中物质的其他特性以及不断出现的非线性光学现象提供了必要的基础和前提。其中,一个正在引起广泛兴趣的研究方向就是利用双色激光场进行物质电离的相干控制。 另一方面,量子信息学的出现,使得量子信息能够实现经典信息所不可能实现的新功能,其独特的优点必然有着重大的科学意义和潜在的应用价值,正在引起广泛的关注和重视。其中的一个热点问题就是寻找可实现量子计算的物理模型及相关的现实物理系统,而强激光场与二态量子系统相干控制的理论和实验研究将为量子信息学的发展提供重要的基础性条件。 本文研究了双色激光场如何对原子、分子电离进行相干控制、如何提高电离几率,如何利用激光对二能级量子系统中量子态的演化进行相干控制以及如何诱导一种二态系统中可能存在的量子信息传递。论文主要贡献包括以下四个方面: 一、一维线性多原子分子离子在双色脉冲激光场中的电离。利用短时指数传播子对称分割法和快速傅立叶变换技术,数值求解了一维含时的Schr(?)dinger方程,探讨了双色激光场中基波和谐波强度之间的不同配比以及脉宽对线性多原子分子离子电离的影响。理论计算结果表明:随着激光的基波和谐波强度之间配比的变化,电离几率随原子间距变化的趋势基本保持不变,但不同的基波强度却可以明显改变电离几率随原子间距变化的趋势。另外,激光脉冲的持续作用可以增强分子的电离,当其持续作用时间达到75 fs时(在本文激光参数条件下),电离已基本接近饱和。采用外静电场电离模型能够合理地解释这些现象。 二、μ子催化核聚变中强脉冲激光对介原子μ~3He电离的影响。针对μ子催化冷核聚变中μ子被~3He“黏附”而导致其催化率不高这一难题,提出了在催化过程中利用超强激光场把粘附在反应产物~3He上的μ子电离出来的方案,试图使μ子“复活”。通过数值求解一维含时的Schr(?)dinger方程,研究了μ子催化核聚变反应中激光强度和波长对介原子μ~3He电离的影响,此外还对单色激光场与双色激光场的不同影响做了比较和分析。数值计算结果表明,对于单色激光场而言,当单个脉冲的激光强度在10~(19)～10~(23) W/cm~2量级时,介原子μ~3He就有2.7%左右的电离率,当激光强度达到6.0×10~(24) W/cm~2时,出现了明显的电离现象,且电离率随着激光的强度、波长以及作用时间呈递增变化,若考虑到连续脉冲激光的相继作用,则利用现有的激光技术就有可能实现介原子μ~3He的有效电离;对于双色激光场而言,在与单色激光相同的参数条件下,其相干作用可以使介原子μ~3He的电离率大大增加,且幅值大小是两个单色激光单独作用时电离几率的相干叠加,这对实现可增益的μ子催化核聚变来说是有益的。另外还表明,介原子μ~3He的电离率随双色激光场的相对相位灵敏地变化,且基频与三倍频双色激光对电离的控制明显好于基频与两倍频双色激光。 三、双色强脉冲激光场中二能级系统量子态的演化。选用量子信息学中有着广泛用途和重大研究意义的二能级原子模型,推导了其在双色飞秒强激光场中周期性密度算符随时间演化的方程,数值计算了激光脉冲传播时引起的相干控制,着重分析了单个激光脉冲的不同参数对量子系统中电子动力学行为的影响以及连续脉冲激光对量子位翻转的影响。计算结果表明,只要选择最佳的激光参数,二能级系统中电子的状态就能从一个能级跃迁到另一个能级,如若是选择适宜的连续脉冲激光相继作用,就会实现相继而又连续的量子位翻转;且双色激光脉冲的相干控制能充分的改变电子动力学行为,即便是在脉宽非常小的情况下,这种二能级之间的电子跃迁都能较快的发生。另外,围绕共振频率的振荡结构和激光脉冲的传播特性都受双色激光场的相对相位影响很大。最后,对二能级系统中激发态的有限寿命问题,我们做了简要的理论分析及估计。利用上述相同的理论框架,我们还简明的讨论了核自旋1/2系统在强双模射频场中的动力学行为。 四、强脉冲激光诱导下细胞骨架微管壁上量子信息传递的探究。考虑到αβ微管管壁上二聚体蛋白内部自由电子的量子特性,我们推广已有的一维赝自旋模型,为此将微管壁上二聚体所处的位置看作类似于晶格结构中的格点,借助于一个周期性的“三角晶格”,微管壁可以被处理为一个各向异性的二维赝自旋系统。我们建立了描述该系统的哈密顿量。由于在每一个三角状单元中存在三种不同的、周期性排列的“自旋-自旋”相互作用,这样系统最终被描述成一列三种不同类型赝自旋态(二聚体)的组合,同时可以数值计算出有关的耦合常数。在此基础上,我们采用了Lloyd提出的序列脉冲激光控制量子计算的方案,为此计算得到了每一个二聚体的四个劈裂共振能级的共振频率,从而在理论上表明了微管壁上能够实现一种可能存在的量子信息传递。