双幅度粒子布居数光栅生成方法与流程
本发明涉及布居数光栅生成技术领域，更具体地说，特别涉及一种双幅度粒子布居数光栅生成方法。
背景技术：
粒子布居数光栅通常是通过两个空间重叠的相干光脉冲在共振晶体介质中产生的，这些光栅在不同种类的光谱学和非线性光学等中具有广泛的应用。
然而，在现有技术中，粒子布居数光栅生成方法仅能够形成一种特定宽度狭缝的单幅图形，这就造成了传统粒子布居数光栅生成方法适用范围窄、适用性差的问题。
技术实现要素：
(一)技术问题
综上所述，如何解决传统粒子布居数光栅生成方法适用范围窄、适用性差的问题，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种双幅度粒子布居数光栅生成方法，该双幅度粒子布居数光栅生成方法包括：
步骤二、向晶体介质输入第一光脉冲，用于在晶体介质中形成偏振振荡；
步骤四、向晶体介质输入与所述第一光脉冲方向相反的第二光脉冲，用于在晶体介质中与偏振振荡作用生成单幅度光栅；
步骤六、向晶体介质输入第三光脉冲，用于在晶体介质中与所述单幅度光栅作用生成双幅度光栅。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，在所述步骤六中，所述第三光脉冲与所述第一光脉冲的入射方向相同。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，在所述步骤六中，所述第三光脉冲包括有稳态光脉冲与作用光脉冲，所述稳态光脉冲与所述第二光脉冲的入射方向相同，所述作用光脉冲与所述第一光脉冲的入射方向相同。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，所述第一光脉冲、所述第二光脉冲以及所述第三光脉冲均为单极光脉冲。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，获得各个光脉冲的时间点，并根据光脉冲的电场表达式通过归一化获得参数t0；对所述第三光脉冲的入射时间进行调整，并使得所述第三光脉冲与所述第一光脉冲之间的时间差为n*t0，其中，5≤n＜29。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，对所述第三光脉冲的入射时间进行调整，并在一个长度为t0的期间内，通过调整所述第三光脉冲的入射时间对所述双幅度光栅的幅值进行调整。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，所述第一光脉冲、所述第二光脉冲以及所述第三光脉冲具有相同的形状与振幅。
优选地，在本发明所提供的双幅度粒子布居数光栅生成方法中，所述第一光脉冲与所述第二光脉冲在所述晶体介质内不重叠。
(三)有益效果
本发明提出了一种在时域上不重叠的单极光脉冲通过先后与共振晶体介质相互相干作用生成瞬态双幅度粒子布居数光栅的方法，并对光栅性能进行了评估。本发明考虑了两种典型的光脉冲配置方案，分别为三光脉冲配置以及四光脉冲配置，并且得到了各自相应的光脉冲时延要求。通过对光栅幅度和相移的分析，表明它们的行为高度依赖于光脉冲间的时间延迟，光栅幅度随光脉冲时延的增加会呈现出周期性的变化，同时相移会发生线性的移动。我们还注意到，当光脉冲时间延迟取t0的整数倍时，生成的双幅度光栅几乎不会受到光脉冲时延的影响，但是，在两个相邻的t0的整数倍之间，也就是说当光脉冲时延取t0的非整数倍时，双幅度光栅会存在明显的波动，且光栅的两个振幅会在相邻的两个阶段内做交替变换。由本发明方法得到的双幅度粒子布居数光栅不仅在非线性光学研究中具有非常大的应用价值，更重要的是本发明能够生成可控的双幅度粒子布居数光栅，其适用性得到了显著提升。
附图说明
图1为本发明实施例中新型水冷型笔记本电脑的结构示意简图；
图2为基于图1光脉冲延迟τ13取整数倍的t0时形成的布居数光栅图形；
图3为光脉冲间隔τ13在一个t0内变化时的双幅度布居数光栅图形；
图4为在一个t0内两个振幅幅值随时间延迟τ13的变化示意图；
图5为相位随光脉冲时延τ13的变化关系图；
图6为基于图1光脉冲延迟τ14取整数倍的t0时形成的布居数光栅图形；
图7为光脉冲间隔τ14在一个t0内变化时的双幅度布居数光栅图形；
图8为在一个t0内两个振幅幅值与光脉冲延迟τ14的关系图；
图9为相位与光脉冲延迟τ14之间的关系图。
在图1至图9中，τab为两个光脉冲的时间间隔，其中a为时间间隔中的第一光脉冲，b为时间间隔中的第二光脉冲。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在时域上不重叠的多束光脉冲与共振晶体介质相互作用时，一个光脉冲会引起偏振振荡，这种振荡会在光脉冲通过后保留下来，并且与第二束具有时间延迟的光脉冲相互作用，从而改变整体布居数，并在晶体介质中形成类似于相干条纹结构的瞬态粒子布居数光栅。并且通过实验证明：在共振相干光与物质相互作用的情况下，光脉冲与另一个光脉冲产生的偏振波作用可以快速创建和消除光栅。
请参考图1，图1为产生瞬态粒子布居数光栅的光脉冲配置示意图。
本发明所使用的激励光脉冲(包括第一光脉冲、第二光脉冲以及第三光脉冲)为单极光脉冲，且均具有相同的形状和振幅，多束单极光脉冲在不同方向作用于共振晶体介质上。
在图1中，a段描述了三光脉冲作用时生成双幅度光栅的光脉冲配置方案，第一光脉冲和第二光脉冲分别以相对(也可以认为是相反)的方向先后射入晶体介质，与第一光脉冲时间上相隔τ13之后，第三光脉冲(作用光脉冲)再沿着第一光脉冲传播的方向射入晶体介质。
在图1中，b段描述了另外一种三光脉冲作用时生成双幅度光栅的光脉冲配置方案，第一光脉冲和第二光脉冲分别以相对的方向先后射入晶体介质，第三光脉冲(稳态光脉冲)沿着第二光脉冲的方向在τ23时间之后射入晶体介质，在这种情况下，并不会产生双幅度光栅，所以对于这种光脉冲配置方案不做研究。
在图1中，c段描述了一种四光脉冲作用时生成双幅度光栅的光脉冲配置方案，在图1(c)中，显示了四个光脉冲与晶体介质相互作用生成双幅度光栅的光脉冲配置方案，在图1(c)中，第一光脉冲和第二光脉冲分别以相对的方向先后射入晶体介质，稳态光脉冲的入射方向与第二光脉冲的入射方向一致，且时间间隔为τ23，作用光脉冲沿着第一光脉冲的入射方向在间隔τ14之后射入晶体介质，并生成了双幅度光栅。
由上述可知，生成双幅度光栅的必要条件为：第一光脉冲与第二光脉冲以不同方向作用晶体介质，同时，至少还应当有一束与第一光脉冲方向相同的第三束光脉冲(作用光脉冲)射入。
原子系统与单极光脉冲的相干相互作用可以用以下密度矩阵方程来计算：
其中，ρ12是密度矩阵中的非对角元素。定义w＝ρ22-ρ11，它表示二能级系统中的上、下能级的粒子布居数之差，其中ρ22、ρ11都是密度矩阵中的对角元素。e(t)是电场，w0是在没有电场输入的情况下原子系统的初始状态(对于吸收晶体介质有w0＝1)，ω0为晶体介质的共振跃迁频率，取ω0＝2.69×1015hz，
对于图1中，a段所形成双幅度光栅原理如下：
两束单极光脉冲(第一光脉冲与第二光脉冲)从两个相对的方向通过晶体介质相向传播，并且保证在晶体介质内两光脉冲不会重叠。
第一光脉冲通过后会引起偏振振荡，这里第一光脉冲可以看作是偏振波的源，之后偏振波会干扰第二光脉冲，由于这两个单极光脉冲先后从两个相反的方向射入晶体介质，所以在晶体介质内的入射方向上光脉冲到达的时间延迟是线性减小的，且晶体介质内的某一位置处布居数的最终状态会随着第一光脉冲和第二光脉冲的时间间隔呈现周期性的变化，这也就导致了粒子群沿入射方向呈现周期性变化，从而形成了瞬态布居数光栅，此时为单幅度光栅。在两个光脉冲作用之后，第三光脉冲(作用光脉冲)沿着第一光脉冲传播的方向射入晶体介质，就会形成双幅度光栅。
其中，三个光脉冲电场的表达式为：
其中，τ13是第一光脉冲与第三个光脉冲之间的时间延迟，τ是前两个激发光脉冲之间的时间延迟，单极光脉冲的光脉冲宽度为τp＝7.37×10-16s，e0随着τp变化以保持光脉冲的面积始终等于
对于三光脉冲作用形成双幅度光栅的方案中，各参数变化对光栅成像影响分析如下：
请参考图2，图2为基于图1，光脉冲延迟τ13取整数倍的t0时形成的布居数光栅图形。
由图2中a段可以看出，当τ13＝2t0时，双幅度光栅开始出现。
由图2中a段至c段可以看出，随着时间延迟τ13的增加，双幅度光栅将会逐渐取代单幅度光栅。
由图2中d段可以看出，τ13并不能无限地一直增加下去，当它增加到29倍t0时，双幅度光栅将会消失并且单幅度光栅会重新出现。
需要注意的是，在图2中a段和b段中，双幅度光栅和单幅度光栅的交界处(图中阴影部分)，会出现一段小范围的不规则振荡，这是因为第一光脉冲和第三光脉冲之间的时间间隔过小，导致了第二光脉冲与第三光脉冲(作用光脉冲)在晶体介质中相遇产生振荡，只要在第一光脉冲和作用光脉冲之间选择适当的时间延迟范围，就可以很容易地消除这种振荡。
通过对图2中a段至c段的对比可以发现：当τ13取t0的整数倍时，生成的双幅度光栅不会发生明显的变化。
请参考图3，图3为光脉冲间隔τ13在一个t0内变化时的双幅度布居数光栅图形。
通过对图3的分析可见：第一光脉冲和作用光脉冲之间的时延在一个t0内变化时，其对双幅度光栅的影响，对于不同的第一光脉冲和作用光脉冲之间的时间间隔，光栅的幅值变化会发生明显的改变，这里将双幅度光栅的两个振幅分别命名为a1和a2。
请参考图4，图4为在一个t0内两个振幅幅值随时间延迟的变化示意图。
在每一个t0内，双幅度光栅的两个振幅都有相同的变化轨迹，两个振幅a1和a2在一个t0内随光脉冲延迟τ13的增加将产生非单调的变化。
请参考图5，图5为相位随光脉冲时延τ13的变化关系图。
由图5可见，随着第一光脉冲和作用光脉冲之间的时间间隔的增大，相移也会呈现出线性的增加。这里所说的相移指的是相对相移，即一个t0周期内光栅相位相对于第一个光栅的位移。
对于四光脉冲作用形成双幅度光栅的方案中，各参数变化对光栅成像影响分析如下：
四个光脉冲作用是生成双幅度光栅的另一种光脉冲配置方案，这种配置方案和三个光脉冲作用时的不同之处在于：将第三光脉冲分为两个光脉冲，一个为与第一光脉冲入射方向相同的作用光脉冲，另一个为与第二光脉冲入射方向相同的稳态光脉冲。稳态光脉冲射入晶体介质的方向与第二光脉冲的入射方向是一致的，之后的作用光脉冲将会沿着第一光脉冲的入射方向射入晶体介质，四个光脉冲在时间轴上的位置如图1中c段所示，其电场表达式可以写成：
其中，τ14是第一光脉冲和第四个光脉冲之间的时间延迟，在这里将第二光脉冲和稳态光脉冲之间的时间间隔设定为一常数，即τ23＝2.5t0，单极光脉冲的光脉冲宽度为τp＝7.37×10-16s，e0随着τp变化以保持光脉冲的面积始终等于
请参考图6，图6为基于图1，光脉冲延迟τ14取整数倍的t0时形成的布居数光栅图形。
与三个光脉冲作用时一样，光脉冲间的延迟要满足一定的条件才能够生成双幅度光栅。
由图6中a段可以看出，当τ14＝5t0时，双幅度光栅开始出现，然后随着τ14的增加，双幅度光栅将慢慢取代单幅度光栅，当第一光脉冲、二的时间间隔τ选取合适时，单幅度光栅将会被完全取代。
由图6中d段可以看出，当τ14＝29t0时，双幅度光栅将会消失且单幅度光栅重新出现，并且，继续增加τ14，双幅度光栅不会再出现。
由图6中a段以及b段可以看出，四光脉冲配置时，也出现了和三光脉冲配置情况相似的不规则振荡，原因是第四个光脉冲与第二光脉冲和第三个光脉冲发生重叠，同样通过适当选择第一光脉冲和作用光脉冲之间的时间延迟范围，可以很容易地消除掉这种振荡。
请参考图7，图7为光脉冲间隔τ14在一个t0内变化时的双幅度布居数光栅图形。
当第一光脉冲和作用光脉冲之间的时间延迟τ14取t0的整数倍的时候，形成的双幅度光栅不会随时间延迟的改变而有明显的波动。然而，当τ14取t0的非整数倍时，双幅度光栅会随着时间延迟的改变而呈现出不同的状态。
请参考图8，图8为在一个t0内两个振幅幅值与光脉冲延迟τ14的关系图。
在一个t0内，光栅的两个振幅随光脉冲延迟的变化如图8所示，虽然这一范围内，两个振幅会呈现出不同的变化趋势，但是在下一个相邻的t0内，两个振幅会各自重复彼此原来的幅值变化，即光栅的振幅随着第一光脉冲和作用光脉冲之间时间间隔的增大，将会呈现出周期性的变化。
请参考图9，图9为相位与光脉冲延迟τ14之间的关系图。
双幅度光栅的相位φ与光脉冲延迟τ14之间依然呈现出了线性单调的变化关系，如图9所示，这种现象与三个光脉冲作用时描述的相位变化现象一致。
与传统的粒子布居数光栅生成方法相比，本发明能够生成双幅度光栅，并且，所生成的双幅度光栅为形状可控光栅，通过上述分析，本发明的优点在于：
本发明提出了一种在时域上不重叠的单极光脉冲通过先后与共振晶体介质相互相干作用生成瞬态双幅度粒子布居数光栅的方法，并对光栅性能进行了评估。本发明考虑了两种典型的光脉冲配置方案，分别为三光脉冲配置以及四光脉冲配置，并且得到了各自相应的光脉冲时延要求。通过对光栅幅度和相移的分析，表明它们的行为高度依赖于光脉冲间的时间延迟，光栅幅度随光脉冲时延的增加会呈现出周期性的变化，同时相移会发生线性的移动。我们还注意到，当光脉冲时间延迟取t0的整数倍时，生成的双幅度光栅几乎不会受到光脉冲时延的影响，但是，在两个相邻的t0的整数倍之间，也就是说当光脉冲时延取t0的非整数倍时，双幅度光栅会存在明显的波动，且光栅的两个振幅会在相邻的两个阶段内做交替变换。由本发明方法得到的双幅度粒子布居数光栅不仅在非线性光学研究中具有非常大的应用价值，更重要的是本发明能够生成可控的双幅度粒子布居数光栅，其适用性得到了显著提升。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
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