利用超短激光脉冲对原子与腔场耦合量子系统的实时观测与调控的理论研究

Ultrashort femtosecond and attosecond laser pulses have led to potential applications for real-time (time-resolved) observation and coherent control of electron dynamics in quantum systems, such as atom, molecule and solid. On the other hand, the artificial quantum system formed by strong coupling between atom and cavity field makes it possible to study the details of basic processes and quantum features of light-matter interaction. In this project, combining these two together we will theoretically investigate potential methods for real-time observing and controlling the transient quantum dynamics processes in atom-cavity coupling systems, such as the coherent evolution of atomic internal state, the atomic quantum motion and subcycle shifts of energy levels of system, with the use of ultrashort laser pulses. According to the research of this project, we will provide theoretical basis for the real-time observation and control of quantum systems by using ultrashort laser pulses.

飞秒和阿秒级超短激光脉冲为实时观测原子、分子和固体等量子系统中电子的量子动力学过程和实现对其的量子控制提供了可能。原子与腔场强耦合形成了一个人工的量子系统，使细致研究光与物质相互作用的基本过程和量子特征成为可能。本项目将两者相合，在理论上研究如何利用超短激光脉冲实时观测和调控原子-腔耦合量子系统中原子内部状态的相干演化、质心的量子运动及其系统能级的亚光学周期移动等瞬态量子动力学过程。本项目的研究将为利用超短激光脉冲实时测量和调控量子系统提供重要的理论基础。

原子与腔场强相互作用形成了一个人工的量子系统，使细致研究光与物质相互作用的基本过程和量子特征成为可能。本项目研究了利用超短激光脉冲实时观测和调控原子-腔耦合量子系统中原子内部状态的相干演化、质心的量子运动等瞬态量子动力学过程，以及超短强激光场与原子作用过程中高次谐波的产生。在本项目的研究中，我们仔细分析了激光脉冲通过腔-原子系统的透射谱，以及透射谱的变化与原子在腔中运动轨迹之间的关系，发现当腔场为高阶LG模时利用透射谱能够很精确的标定出原子在腔中的位置。同时，利用透射谱还可以测量冷原子之间的碰撞和原子之间距离的微小变化。在利用强单色连续激光驱动初始处于相干叠加态三能级原子产生高次谐波研究方面，我们发现调整原子初始态的相对相位，高次谐波的辐射强度可以提高5个数量级。在两个频率梳场驱动两能级原子情况下，我们发现在多光子共振条件下通过调节包络间的相对延迟，利用多光子跃迁路径间的干涉HHG强度谱可以被增强大约10倍。本项目的研究为利用超短激光脉冲实时测量和调控量子系统提供重要的理论基础。