周期量级超强超短脉冲激光在介质中传播时展现出丰富的非线性光学效应,产生了许多不同于纳秒、皮秒时域的非线性光学现象,使光与物质相互作用的研究进入了一个全新的领域。通过研究超短脉冲在介质中传播的动力学过程,可以从微观领域揭示各种非线性光学效应的物理机制,为更好地设计和应用激光特性、预测材料的非线性光学性质提供理论基础。基于光与物质相互作用的半经典理论,用Maxwell方程描述电场,用密度矩阵方程描述介质。本论文在前人研究工作的基础上,对周期量级超短激光脉冲在V型三能级原子系统中的传播特性和频谱特性进行了理论研究,全文内容共分七章:第一章综述,概述了超短脉冲激光技术的发展与应用,超短激光脉冲与物质的相互作用以及静电场、量子相干控制的研究概况,并且介绍了当前这一重要课题的研究现状。第二章推导了不采用旋波近似和慢变包络近似下的全波麦克斯韦—布洛赫方程,并对时域有限差分法和预估校正法作了细致的阐述。第三章模拟了脉宽对在不同密度介质中传播的超短激光脉冲特性的影响。我们发现,脉冲未发生分裂时,随着脉宽的增大,脉冲振幅明显减小;当脉冲发生分裂时,脉宽的增大加速了脉冲的分裂,脉宽愈大,脉冲分裂的子脉冲个数越多;当脉宽τ_p < 5fs时,考虑LFC效应的情况下,子脉冲出现了时间延迟,并且脉宽越大,延迟现象愈加不明显;当脉宽τ_p≥5fs时,不考虑LFC效应情况下,子脉冲出现了时间延迟,并且随着脉宽的增大,延迟现象愈加明显,另外这一现象还和粒子数布居密切相关。第四章研究了脉宽对V型稠密介质中超短脉冲和频谱CEP依赖性的影响。研究结果表明,脉宽较小时,脉冲分裂数目少,频谱较宽,高频部分显著,CEP的变化对脉冲及频谱的影响都较大,尤其对子脉冲间的时间间隔及频谱高频部分强度大小的影响更为显著;随着脉宽的增大,脉冲分裂数目增多,频谱宽度变窄,高频部分逐渐消失,CEP的变化对脉冲及频谱的影响减弱。第五章研究了在V型三能级原子介质中静电场对超短激光脉冲频谱CEP相关性的影响。研究表明,未加入静电场时,载波包络相位(CEP)的变化对脉冲频谱中较低频率部分的强度有较明显的影响,而对高频部分的影响很微弱,频谱平坦性和连续性较差;加入静电场后,CEP对频谱强度尤其是较高频部分强度的影响变大,通过选择适当的静电场和CEP的值可以获得平坦性和连续性较好的超连续谱。另外,静电场的加入还使得到相同频谱分布所对应的CEP周期由π改变为2π。第六章讨论了单光子共振(两个脉冲的中心频率分别与原子系统两个跃迁频率相等)以及完全非共振(两个脉冲的中心频率与原子系统两个跃迁频率皆不相等)情况中,在稠密V型三能级原子介质中,相对载波包络相位(RECP)对双色超短脉冲波形及频谱演化的影响。结果表明:双色脉冲面积较小时,RCEP对双色脉冲的传播形式及频谱特性的调制作用在共振情况比在失谐情况更为显著,但在两种条件下脉冲在传播过程中相应频谱仅略有展宽;与双色脉冲面积较小时不同,当双色脉冲面积增大到一定值时,RCEP对双色脉冲的传播形式及频谱特性的调制作用在失谐情况比在共振情况更为显著,而且在失谐条件下可获得比共振条件下大得多的频谱展宽,出现了最高频率达到入射脉冲中心频率18倍的超连续谱。第七章总结了本论文的主要研究成果,并对进一步开展的工作提出了设想。
