周期量級激光脈沖相干控制及其算法的研究.pdf

1、超強超短激光與物質的相互作用的研究是國際重要的前沿研究領域。超強超短激光與物質的相互作用產生若干奇特的物理現(xiàn)象。在理論研究方面隨著激光強度的不斷提高，非線性效應不斷增強，使得傳統(tǒng)的微擾理論束手無策，新的非微擾理論應運而生；在技術方面，隨著超短激光脈沖技術的不斷發(fā)展，已經能夠產生高強度的少周期和亞周期超短脈沖，這種周期量級超短激光脈沖失去了波動所特有的周期性特征，從而導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)值計算方法就顯得非常重要且必要，本文重點探索建立適用的數(shù)值計算方法，并在數(shù)值模擬的基礎上，研究空心波導中高次諧波、軟X-射線及單阿秒脈沖產生，多能級介質中少周期激光脈沖的傳輸特性，亞周期脈沖與二能級系統(tǒng)的相互作用的動力學過程，以及多能級量子系統(tǒng)的相干控制和選態(tài)激發(fā)等問題。取得的主要創(chuàng)新成果有： 1．研究了Ma

3、xwell—Schronger耦合方程組的數(shù)值解法，首次模擬較高壓強下不同的惰性氣體在周期性波導中高次諧波的產生，得到了效率增強、級次延伸的高次諧波譜，同時諧波的轉換效率也提高了至少兩個量級；并討論不同調制周期對諧波的影響。在此基礎上我們研究了線性啁啾調制波導中單阿秒脈沖的產生，并找到了有利于產生單阿秒軟X-射線脈沖的方法。結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、成一個很寬的連續(xù)帶，實現(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。可見合理選擇啁啾參數(shù)，完全有可能產生脈寬更短的波長可至“水窗”波段的單阿秒脈沖。 2．利用移動窗口技術構造了一套求解Maxwell—Bloch耦合方程組的高階時域有限差分(FDTD)方法，該方法適用于模擬周期、亞周期量級激光脈沖在各種介質中的傳

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。并且在此基礎上模擬了開放二能級介質中周期量級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，脈沖在傳輸過程中發(fā)生分裂的規(guī)律以及電離效應對脈沖傳輸?shù)挠绊懙取?3．研究了亞周期脈沖與二能級系統(tǒng)相互作用的動力學特性。我們發(fā)現(xiàn)，亞周期脈沖的載波頻率會發(fā)生藍移，藍移的程度隨脈沖包絡所包含的周期數(shù)呈反向變化，當包含的周期數(shù)超過二時，頻率的藍移現(xiàn)象基本上消失，對于四分之一周期脈沖，其載波頻

6、率翻了一倍。其次，模擬結果表明，載波相位在亞周期脈沖與二能級系統(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。首次利用改進的遺傳算法實現(xiàn)了多能級量子系統(tǒng)中完全布居轉移和選態(tài)激發(fā)，分別研究了脈沖強度、延遲時間、啁啾率和失諧量等因素與完全布居轉移和選態(tài)激發(fā)的關系，并發(fā)現(xiàn)了一些實現(xiàn)完全布居轉移和選態(tài)激發(fā)的必要條件。在理論模