Исследование излучения атома водорода под действием импульса титан-сапфирового лазера

Дербов В.Л., Серов В.В., Тепер Н.И.

Аннотация:
Мы представляем результаты численного моделирования динамики заселенностей
в атоме водорода под действием импульса титан-сапфирового лазера. Исследуется возможность формирования волновых пакетов, включающих состояния с высокими значениями орбитального и магнитного квантовых чисел, под действием лазерного поля, вследствие многократных переходов между состояниями дискретного и непрерывного спектра. Ионизационные потери учитываются на основе реалистичной модели континуума. Показана частичная локализация электронной плотности по радиальной и угловой переменной. На основе прямого решения уравнения Шредингера рассчитываются спектральные характеристики излучения атома во время лазерного возбуждения для оценки ридберговских волновых пакетов в качестве источников генерации в терагерцевом диапазоне.

Abstract:
We present the results of numerical modelling of population dynamics in a hydrogen atom under the action of Ti:sapphire laser pulse. The possibility of formation of wave packets, including the states with high values of orbital and magnetic quantum numbers, via multiple transitions between the states of discrete and continuous spectrum under the action of the laser field is investigated. Ionization losses are taken into account by using a realistic model of the continuum. Partial localization of electron density in radial and angular variables is demonstrated. On the basis of direct solution of Schrödinger equation spectral characteristics of atom radiation during laser excitation for estimation of Rydberg wave packet as source of generation in a terahertz range.

Ключевые слова :
ридберговские состояния, волновой пакет, численное моделирование, ультракороткий лазерный импульс, титан-сапфировый лазер.

Key words: Rydberg states, wave packet, numerical simulation, ultra-short laser pulse, Ti:sapphire laser.

Литература:

  1. Shapiro, Е.А. Non-circular Trojan-like wavepackets: quantum theory and application to quantum control / Е.А. Shapiro, M. Kalinski, J.H. Eberly // J. Phys. B. – 2000. – Vol. 33. – P. 3079-3091.
  2. Kochanski, P. Squeezing of electromagnetic field in a cavity by electrons in Trojan states / P. Kochanski, Z. Bialynicka-Birula, I. Bialynicki-Birula // Phys. Rev. A. – 2001. – Vol. 63. – P. 013811.
  3. Schafer, K.J. Tunable terahertz radiation from Stark wave packets / K.J. Schafer, J.L. Krause // Optics Express. – 1997. – Vol. 1, № 7. – P. 210-215.
  4. Schafer, K.J. Control of THz Emission from Stark Wave Packets / K.J. Schafer, J.L. Krause // J. Phys. Chem. A. – 1999. – Vol. 103. – P. 10118-10125.
  5. Gaeta, Z.D. Classical and quantum-mechanical dynamics of quasiclassical state of the hydrogen atom / Z.D. Gaeta, C.R. Stroud // Phys. Rev. A. – 1990. – Vol. 42, N 11. – P. 6308-6313.
  6. Gaeta, Z.D. Excitation of the classical-limit state of an atom / Z.D. Gaeta, M.W. Noel, C.R. Stroud // Phys. Rev. Lett. – 1994. – Vol. 73, N 5. – P. 636-639.
  7. Bromage, J. Excitation of a Three-Dimensionally Localized Atomic Electron Wave Packet / J. Bromage, C.R. Stro­ud // Phys. Rev. Lett. – 1999. – Vol. 83, N 24. – P. 4963-4966.
  8. Alber, G. Generation and detection of Rydberg wave packets by short laser pulses / G. Alber, H. Ritsch, P. Zoller // Phys. Rev. A. – 1986. – Vol. 34, N 2. – P. 1058-1064.
  9. Parker, J. Coherence and Decay of Rydberg Wave Packets / J. Parker, C.R. Strong // Phys. Rev. Lett. – 1986. – Vol. 56, N 7. – P. 716-719.
  10. Wolde, A. Observation of Radially Localized Atomic Electron Wave Packets / A. Wolde, L.D. Noordam, A. Lagendijk, H.B. van Linden van den Heuvell // Phys. Rev. Lett. – 1988. – Vol. 61, N 18. – P. 2099-2101.
  11. Nilsen, H.M. Generation of an angular and radial Rydberg wave packet in a single laser pulse / H.M. Nilsen, J.P. Han­sen // Phys. Rev. A. – 2000. – Vol. 63. – P. 011405.
  12. Madsen, L.B. Procedures for the evaluation of atomic transition matrix elements in the interaction with laser light / L.B. Madsen, J.P. Hansen, H.M. Nilsen // Comput. Phys. Commun. – 1999. – Vol. 120. – P. 231-237.
  13. Тепер, Н.И. Динамика заселенностей в атоме водорода под действием ультракороткого импульса лазерного излучения / Н.И. Тепер, В.Л. Дербов // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. – 2008. – Т. 16, № 1. – С. 115-123.
  14. Wang, H. Generation of 10-W average-power, 40-TW peak-power, 24-fs pulses from a Ti:sapphire amplifier system / H. Wang, S. Backus, Z. Chang, R. Wagner, K. Kim, X. Wang, D. Umstadter, T. Lei, M. Murnane, H. Kapteyn // J. Opt. Soc. Am. B. – 1999. – Vol. 16, N 10. – P. 1790-1794.
  15. Derbov, V.L. Forming of Rydberg wave packet under the action of the pulse of Ti:sapphire laser / V.L. Derbov, N.I. Teper // Proceeding of SPIE. – 2009. – Vol. 7501. – P. 75010I.
  16. Дербов, В.Л. Формирование локализованных волновых пакетов в атоме водорода под действием ультракоротких лазерных импульсов. / В.Л. Дербов, Н.И. Те­пер // Проблемы оптической физики и биофотоники: Материалы 13-ой Международной Молодежной научной школы по оптике, лазерной физике и биофотонике. – Саратов: Изд-во «Новый ветер», 2009. – С. 121-125.

References:

  1. Shapiro, Е.А. Non-circular Trojan-like wavepackets: quantum theory and application to quantum control / Е.А. Shapiro, M. Kalinski, J.H. Eberly // J. Phys. B. –2000. – Vol. 33. – P. 3079-3091.
  2. Kochanski, P. Squeezing of electromagnetic field in a cavity by electrons in Trojan states / P. Kochanski, Z. Bialynicka-Birula, I. Bialynicki-Birula // Phys. Rev. A. – 2001. – Vol. 63. – P. 013811.
  3. Schafer, K.J. Tunable terahertz radiation from Stark wave packets / K.J. Schafer, J.L. Krause // Optics Express. – 1997. – Vol. 1, N 7. – P. 210-215.
  4. Schafer, K.J. Control of THz Emission from Stark Wave Packets / K.J. Schafer, J.L. Krause // J. Phys. Chem. A. – 1999. – Vol. 103. – P. 10118-10125.
  5. Gaeta, Z.D. Classical and quantum-mechanical dynamics of quasiclassical state of the hydrogen atom / Z.D. Gaeta, C.R. Stroud // Phys. Rev. A. – 1990. – Vol. 42, N 11. – P. 6308-6313.
  6. Gaeta, Z.D. Excitation of the classical-limit state of an atom / Z.D. Gaeta, M.W. Noel, C.R. Stroud // Phys. Rev. Lett. – 1994. – Vol. 73, N 5. – P. 636-639.
  7. Bromage, J. Excitation of a Three-Dimensionally Localized Atomic Electron Wave Packet / J. Bromage, C.R. Stro­ud // Phys. Rev. Lett. – 1999. – Vol. 83, N 24. – P. 4963-4966.
  8. Alber, G. Generation and detection of Rydberg wave packets by short laser pulses / G. Alber, H. Ritsch, P. Zoller // Phys. Rev. A. – 1986. – Vol. 34, N 2. – P. 1058-1064.
  9. Parker, J. Coherence and Decay of Rydberg Wave Packets / J. Parker, C.R. Strong // Phys. Rev. Lett. – 1986. – Vol. 56, N 7. – P. 716-719.
  10. Wolde, A. Observation of Radially Localized Atomic Electron Wave Packets / A. Wolde, L.D. Noordam, A. Lagendijk, H.B. van Linden van den Heuvell // Phys. Rev. Lett. – 1988. – Vol. 61, N 18. – P. 2099-2101.
  11. Nilsen, H.M. Generation of an angular and radial Rydberg wave packet in a single laser pulse / H.M. Nilsen, J.P. Hansen // Phys. Rev. A. – 2000. – Vol. 63. – P. 011405.
  12. Madsen, L.B. Procedures for the evaluation of atomic transition matrix elements in the interaction with laser light / L.B. Madsen, J.P. Hansen, H.M. Nilsen // Comput. Phys. Commun. – 1999. – Vol. 120. – P. 231-237.
  13. Teper, N.I. Population dynamics in a hydrogen atom under the action of ultra-short pulse of laser radiation / N.I. Teper, V.L. Derbov // Izvestia vuz. Applied Nonlinear Dynamics. – 2008. – Vol. 16, N 1. – P. 115-123. – (in Russian).
  14. Wang, H. Generation of 10-W average-power, 40-TW peak-power, 24-fs pulses from a Ti:sapphire amplifier system / H. Wang, S. Backus, Z. Chang, R. Wagner, K. Kim, X. Wang, D. Umstadter, T. Lei, M. Murnane, H. Kapteyn // J. Opt. Soc. Am. B. – 1999. – Vol. 16, N 10. – P. 1790-1794.
  15. Derbov, V.L. Forming of Rydberg wave packet under the action of the pulse of Ti:sapphire laser / V.L. Derbov, N.I. Teper // Proceeding of SPIE. – 2009. – Vol. 7501. – P. 75010I.
  16. Derbov, V.L. Forming of localized wave packets in a hydrogen atom under the action of ultra-short laser pulses / V.L. Derbov, N.I. Teper // Optical Physics and Biophotonics: Proceedings of 13th Annual International School for Young Scientist and Student on Optics, Laser Physics & Biophotonics. – Saratov: Novyi Veter Press, 2009. – P. 121-125. – (in Russian).

© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846 2) 332-56-22, факс: +7 (846 2) 332-56-20