周期量級(jí)激光脈沖相干控制及其算法的研究.pdf

1、超強(qiáng)超短激光與物質(zhì)的相互作用的研究是國際重要的前沿研究領(lǐng)域。超強(qiáng)超短激光與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生若干奇特的物理現(xiàn)象。在理論研究方面隨著激光強(qiáng)度的不斷提高，非線性效應(yīng)不斷增強(qiáng)，使得傳統(tǒng)的微擾理論束手無策，新的非微擾理論應(yīng)運(yùn)而生；在技術(shù)方面，隨著超短激光脈沖技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)能夠產(chǎn)生高強(qiáng)度的少周期和亞周期超短脈沖，這種周期量級(jí)超短激光脈沖失去了波動(dòng)所特有的周期性特征，從而導(dǎo)致一系列全新的物理現(xiàn)象與規(guī)律，開創(chuàng)了極端非線性相互作用的最前沿，受到了

2、廣泛的關(guān)注。 在少周期和亞周期的尺度下，現(xiàn)有的近似方法存在缺陷，因此研究高精度、無數(shù)值色散．、高效率、數(shù)值穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算方法就顯得非常重要且必要，本文重點(diǎn)探索建立適用的數(shù)值計(jì)算方法，并在數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，研究空心波導(dǎo)中高次諧波、軟X-射線及單阿秒脈沖產(chǎn)生，多能級(jí)介質(zhì)中少周期激光脈沖的傳輸特性，亞周期脈沖與二能級(jí)系統(tǒng)的相互作用的動(dòng)力學(xué)過程，以及多能級(jí)量子系統(tǒng)的相干控制和選態(tài)激發(fā)等問題。取得的主要?jiǎng)?chuàng)新成果有： 1．研究了Ma

3、xwell—Schronger耦合方程組的數(shù)值解法，首次模擬較高壓強(qiáng)下不同的惰性氣體在周期性波導(dǎo)中高次諧波的產(chǎn)生，得到了效率增強(qiáng)、級(jí)次延伸的高次諧波譜，同時(shí)諧波的轉(zhuǎn)換效率也提高了至少兩個(gè)量級(jí)；并討論不同調(diào)制周期對(duì)諧波的影響。在此基礎(chǔ)上我們研究了線性啁啾調(diào)制波導(dǎo)中單阿秒脈沖的產(chǎn)生，并找到了有利于產(chǎn)生單阿秒軟X-射線脈沖的方法。結(jié)果表明線性啁啾光纖改善了頻率截止區(qū)域高次諧波的相位匹配狀況，截止頻率附近的諧波得到了不同程度的相位匹配，并且聚合

4、成一個(gè)很寬的連續(xù)帶，實(shí)現(xiàn)了單阿秒脈沖，并使脈沖的能量提高了100倍以上。我們分別在He氣和Ar氣中得到了波長短至4.66nm和8.69nm、脈寬僅為255 αs和279 αs的單阿秒脈沖?？梢姾侠磉x擇啁啾參數(shù)，完全有可能產(chǎn)生脈寬更短的波長可至“水窗”波段的單阿秒脈沖。 2．利用移動(dòng)窗口技術(shù)構(gòu)造了一套求解Maxwell—Bloch耦合方程組的高階時(shí)域有限差分(FDTD)方法，該方法適用于模擬周期、亞周期量級(jí)激光脈沖在各種介質(zhì)中的傳

5、輸過程，具有無數(shù)值色散、數(shù)值穩(wěn)定、精度高、效率高等特點(diǎn)。并且在此基礎(chǔ)上模擬了開放二能級(jí)介質(zhì)中周期量級(jí)橢圓偏振激光脈沖的傳輸，發(fā)現(xiàn)了一些新的物理現(xiàn)象和效應(yīng)，脈沖在傳輸過程中發(fā)生分裂的規(guī)律以及電離效應(yīng)對(duì)脈沖傳輸?shù)挠绊懙取?3．研究了亞周期脈沖與二能級(jí)系統(tǒng)相互作用的動(dòng)力學(xué)特性。我們發(fā)現(xiàn)，亞周期脈沖的載波頻率會(huì)發(fā)生藍(lán)移，藍(lán)移的程度隨脈沖包絡(luò)所包含的周期數(shù)呈反向變化，當(dāng)包含的周期數(shù)超過二時(shí)，頻率的藍(lán)移現(xiàn)象基本上消失，對(duì)于四分之一周期脈沖，其載波頻

6、率翻了一倍。其次，模擬結(jié)果表明，載波相位在亞周期脈沖與二能級(jí)系統(tǒng)相互作用的過程中扮演重要角色。我們還分別用解析方法和數(shù)值模擬證明了旋波近似在這樣的尺度下是完全失效的。 4．改進(jìn)了遺傳算法，提高了處理多變量優(yōu)化問題的收斂速度。首次利用改進(jìn)的遺傳算法實(shí)現(xiàn)了多能級(jí)量子系統(tǒng)中完全布居轉(zhuǎn)移和選態(tài)激發(fā)，分別研究了脈沖強(qiáng)度、延遲時(shí)間、啁啾率和失諧量等因素與完全布居轉(zhuǎn)移和選態(tài)激發(fā)的關(guān)系，并發(fā)現(xiàn)了一些實(shí)現(xiàn)完全布居轉(zhuǎn)移和選態(tài)激發(fā)的必要條件。在理論模