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1、超強(qiáng)超短激光與物質(zhì)的相互作用的研究是國(guó)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(wú)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(kāi)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(wú)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(guò)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(wèn)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(zhǎng)短至4.66nm和8.69nm、脈寬僅為255 αs和279 αs的單阿秒脈沖??梢?jiàn)合理選擇啁啾參數(shù),完全有可能產(chǎn)生脈寬更短的波長(zhǎng)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(guò)程,具有無(wú)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)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?jī)?yōu)化問(wèn)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
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