Doppler展寬的準(zhǔn)∧型四能級(jí)系統(tǒng)無(wú)反轉(zhuǎn)激光相干控制的理論研究.pdf

1、物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)和光學(xué)過(guò)程的相干控制研究是當(dāng)前世界上光學(xué)研究中重要而活躍的前沿領(lǐng)域之一.相干控制的研究不僅有重要的理論意義,而且在量子光學(xué)、非線性光學(xué)、量子信息和光通訊等領(lǐng)域內(nèi)都有重要的應(yīng)用價(jià)值.原子相干現(xiàn)象在很多方面都具有潛在的應(yīng)用價(jià)值,而在眾多的原子相干現(xiàn)象中,無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光(Lasing Without Inversion簡(jiǎn)稱 LWI)引起了人們更大的興趣和特別的重視.作為一種產(chǎn)生激光的新型機(jī)制,應(yīng)用無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光可以在應(yīng)用傳統(tǒng)

2、激光理論和方法很難甚至不可能產(chǎn)生激光的高頻光譜區(qū)(X-射線甚至γ-射線區(qū))產(chǎn)生激光,因此無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光的研究具有廣闊的應(yīng)用前景.
　　在前人研究工作的基礎(chǔ)上,本論文從不同方面對(duì)Doppler展寬的準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中LWI的相干控制進(jìn)行了深入的理論研究。全文內(nèi)容共分八章:
　　第一章為綜述,介紹了了相干控制和無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光的研究意義及研究歷史和現(xiàn)狀,解釋了無(wú)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光的研究方法(密度矩陣方法)和與無(wú)反轉(zhuǎn)激光相關(guān)的S

3、GC效應(yīng)和Doppler效應(yīng).
　　第二章:研究了在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)方向相同和相反兩種情況下,Doppler展寬的開(kāi)放的準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)對(duì)無(wú)反轉(zhuǎn)激光(LWI)增益的影響.研究結(jié)果表明:(1)一般來(lái)說(shuō),對(duì)于固定的SGC強(qiáng)度,LWI增益將隨Doppler展寬寬度的增加而減小,但不管Doppler展寬是否明顯,通過(guò)選取適當(dāng)?shù)腟GC強(qiáng)度即表示SGC效應(yīng)的兩個(gè)因子1p和2p的大小,總可以獲得比不存在SGC時(shí)大的

4、LWI增益.(2)1p和2p的變化對(duì)LWI增益的影響程度有較大的差別,且隨Doppler展寬寬度的變化而改變.(3)在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)方向相反情況,當(dāng)Doppler展寬寬度足夠大時(shí),增益會(huì)出現(xiàn)振蕩,振蕩幅度隨SGC強(qiáng)度的增大而增大.(4)粒子注入速率及退出速率也會(huì)對(duì)與SGC相關(guān)的LWI增益產(chǎn)生明顯的影響.(5)當(dāng)探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)方向相同時(shí)可獲得比方向相反時(shí)更大的LWI增益.(6)開(kāi)放系統(tǒng)可得到遠(yuǎn)大于相應(yīng)封閉系統(tǒng)的LWI增益.
　　第三

5、章:從不同角度研究了Doppler展寬的具有自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干的封閉準(zhǔn)Λ型四能級(jí)原子系統(tǒng)中探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間的相對(duì)位相(φ)對(duì)探測(cè)場(chǎng)無(wú)反轉(zhuǎn)增益(吸收)和色散的控制作用.研究結(jié)果表明:探測(cè)場(chǎng)增益(吸收)和色散對(duì)φ值的變化是非常敏感的,Doppler展寬寬度的改變也對(duì)吸收(增益)和色散特性有顯著的影響.探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)同向傳播情況下,對(duì)于相同的Doppler展寬寬度,αφ=的色散曲線與φ+=πα2/的增益(吸收)曲線是相同的;然而,當(dāng)探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)

6、動(dòng)場(chǎng)反向傳播情況下,對(duì)于相同的Doppler展寬寬度,αφ=的色散曲線與φ+=πα2/的增益(吸收)曲線是不同的,并且這個(gè)差別隨Doppler展寬寬度的增大而更加明顯.在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)同向和反向傳播兩種情況下,增益(吸收)和色散總是隨φ值的變化而周期性改變,周期為2π.通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)摩罩?可以得到最大的增益(吸收)和色散,無(wú)吸收高色散也可以被實(shí)現(xiàn).一般說(shuō)來(lái),增益隨Doppler展寬寬度的增大而變小,但通過(guò)調(diào)節(jié)φ值的大小,當(dāng)Doppler

7、展寬寬度取某些特殊值時(shí)可以得到比不存在Doppler展寬時(shí)更大的增益.我們的研究還表明,在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)同向傳播時(shí)可以得到比反向傳播時(shí)更大的增益.
　　第四章:研究了在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同和相反兩種情況下,在Doppler展寬的具有自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)的開(kāi)放的準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中,探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間的相對(duì)位相(φ)對(duì)無(wú)反轉(zhuǎn)增益(GWI)的影響.研究結(jié)果表明:(1)使 GWI存在的探測(cè)場(chǎng)失諧(pΔ)的取值范圍及GWI的

8、大小對(duì)(φ)值的變化是非常敏感的.當(dāng)其他參數(shù)保持不變時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)φ的取值,可以獲得最大增益.(2)Doppler展寬寬度(D)值的改變也對(duì)位相相關(guān)的GWI有顯著的調(diào)制作用.當(dāng)D較小時(shí),選擇φπ=,當(dāng)D較大時(shí),選擇φπ=,可以獲得最大的GWI.(3) GWI極大值(maxG)隨φ的改/2變作周期性變化,周期為π2,但具體的變化規(guī)律與D值的大小密切相關(guān).(4)在其他參數(shù)不變的情況下,當(dāng)探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同時(shí)可獲得比方向相反時(shí)更大的GW

9、I;在探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同情況也具有更大的可以獲得GWI的D值.(5)退出速率(0R)及粒子注入速率比(s)也對(duì)與位相相關(guān)的GWI產(chǎn)生明顯的影響.一般說(shuō)來(lái)，maxG隨0R的增加先增大后減小，maxG隨s的增大而逐漸增大.(6)通過(guò)適當(dāng)選取退出速率(0R)及粒子注入速率比(s)的值,開(kāi)放系統(tǒng)可得到遠(yuǎn)大于相應(yīng)封閉系統(tǒng)的GWI.(7)在Doppler存在的情況下,相對(duì)于探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同的情況來(lái)說(shuō),當(dāng)傳播方向相反時(shí),改變0R和s

10、的值對(duì)與相位相關(guān)的增益有更大的影響.
　　第五章:研究了在封閉準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中Doppler效應(yīng)、自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)及其它系統(tǒng)參量對(duì)無(wú)反轉(zhuǎn)增益(GWI)和無(wú)反轉(zhuǎn)激光(LWI)場(chǎng)(即探測(cè)場(chǎng))空間演化的影響.研究結(jié)果表明:Doppler效應(yīng)存在時(shí),一般說(shuō)來(lái),探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同時(shí)比相反時(shí)可以得到大得多的GWI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度;通過(guò)調(diào)節(jié)Doppler寬度和SGC強(qiáng)度,可以得到比無(wú)Doppler效應(yīng)(0D=)時(shí)更大的GW

11、I和LWI場(chǎng)強(qiáng)度.(3) SGC強(qiáng)度越大,可以獲得的GWI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度越大,有SGC效應(yīng)時(shí)可獲得比無(wú)SGC效應(yīng)時(shí)大得多的GWI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度.(4)選取適當(dāng)?shù)奶綔y(cè)場(chǎng)失諧值、入口處驅(qū)動(dòng)場(chǎng)和泵浦場(chǎng)Rabi頻率,可以明顯增大GWI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度.
　　第六章:研究了在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同和相反兩種情況下,在Doppler展寬的具有自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干的封閉準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間的相對(duì)位相(φ)對(duì)傳播效應(yīng)的影響.研究

12、結(jié)果表明:(1)探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間的相對(duì)位相(φ)對(duì)GWI和LWI場(chǎng)的空間演化規(guī)律有明顯的影響;Doppler展寬寬度(D)值的改變也對(duì)位相相關(guān)的GWI和LWI場(chǎng)有顯著的調(diào)制作用;在φ取固定值的情況下,存在GWI的傳播距離隨D值的增大而變大;LWI場(chǎng)強(qiáng)度的大小決定于GWI的大小和存在GWI的傳播距離的長(zhǎng)短兩個(gè)因素;選取適當(dāng)?shù)摩蘸虳值,存在Doppler效應(yīng)時(shí)可以得到比無(wú)Doppler效應(yīng)(0D=)時(shí)更大的GWI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度.(2)Do

13、ppler效應(yīng)存在時(shí),光場(chǎng)的傳播方向?qū)WI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度空間演化有顯著的影響,選擇探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同,可以獲得更大的GWI和LWI場(chǎng)強(qiáng)度.
　　第七章:主要利用數(shù)值計(jì)算結(jié)果詳細(xì)研究了在準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中Doppler效應(yīng)、自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)對(duì)無(wú)反轉(zhuǎn)增益(以下簡(jiǎn)稱增益)瞬態(tài)演化的影響.研究結(jié)果表明:(1)增益瞬態(tài)演化對(duì)SGC強(qiáng)度的變化是十分敏感的.SGC強(qiáng)度越大,瞬態(tài)增益極大值和穩(wěn)定增益值越大.有SGC效應(yīng)時(shí)可

14、獲得比無(wú)SGC效應(yīng)時(shí)大得多的瞬態(tài)增益和穩(wěn)定增益.(2)Doppler效應(yīng)存在時(shí),Doppler展寬寬度(D)值和光場(chǎng)傳播方向的改變對(duì)與SGC相關(guān)的增益瞬態(tài)演化有顯著的影響.瞬態(tài)增益極大值和穩(wěn)定增益值隨D值的增大先變大后變小;但瞬態(tài)增益最大值和穩(wěn)定增益最大值并不對(duì)應(yīng)相同的D值;D值越大,增益達(dá)到穩(wěn)定值所需的演化時(shí)間越長(zhǎng).選取適當(dāng)?shù)腄值,存在Doppler效應(yīng)時(shí)可以得到比無(wú) Doppler效應(yīng)(0D=)時(shí)更大的穩(wěn)定增益.探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方

15、向相同時(shí)可以得到遠(yuǎn)大于傳播方向相反時(shí)的瞬態(tài)和穩(wěn)定增益.
　　第八章研究了在探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向相同和相反兩種情況下,在Doppler展寬的具有自發(fā)輻射誘導(dǎo)相干(SGC)準(zhǔn)∧型四能級(jí)原子系統(tǒng)中,探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間的相對(duì)相位(φ)對(duì)無(wú)反轉(zhuǎn)增益(GWI)瞬態(tài)演化的影響.研究結(jié)果表明:(1)探測(cè)場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)之間的相對(duì)相位(φ)對(duì)GWI和探測(cè)場(chǎng)強(qiáng)度的瞬態(tài)演化規(guī)律有明顯的影響,對(duì)泵浦場(chǎng)和驅(qū)動(dòng)場(chǎng)的增益瞬態(tài)演化規(guī)律只有很小的影響;Doppler展

16、寬寬度(D)值的改變也對(duì)相位相關(guān)的GWI有顯著的調(diào)制作用;在φ取固定值的情況下，D值越大,增益達(dá)到穩(wěn)定值所需的傳播時(shí)間越長(zhǎng);D值不同時(shí),對(duì)應(yīng)增益極大值的演化時(shí)間也不同;最大瞬態(tài)增益和最大穩(wěn)定增益并不對(duì)應(yīng)相同的D值;選取適當(dāng)?shù)摩蘸虳值,存在Doppler效應(yīng)時(shí)可以得到比無(wú) Doppler效應(yīng)(0D=)時(shí)更大的增益.0=φ和φπ=(0.5φπ=和φπ=)的瞬態(tài)演化曲線近似關(guān)于Imρ=的軸對(duì)稱.(2)探測(cè)場(chǎng)與驅(qū)動(dòng)場(chǎng)傳播方向130相同時(shí),可以獲