Population difference gratings created on vibrational transitions by nonoverlapping subcycle THz pulses

Abstract

We study theoretically a possibility of creation and ultrafast control (erasing, spatial frequency multiplication) of population density gratings in a multi-level resonant medium having a resonance transition frequency in the THz range. These gratings are produced by subcycle THz pulses coherently interacting with a nonlinear medium, without any need for pulses to overlap, thereby utilizing an indirect pulse interaction via an induced coherent polarization grating. High values of dipole moments of the transitions in the THz range facilitate low field strength of the needed THz excitation. Our results clearly show this possibility in multi-level resonant media. Our theoretical approach is based on an approximate analytical solution of time-dependent Schrödinger equation (TDSE) using perturbation theory. Remarkably, as we show here, quasi-unipolar subcycle pulses allow more efficient excitation of higher quantum levels, leading to gratings with a stronger modulation depth. Numerical simulations, performed for THz resonances of the $$H_20$$ H 2 0 molecule using Bloch equations for density matrix elements, are in agreement with analytical results in the perturbative regime. In the strong-field non-perturbative regime, the spatial shape of the gratings becomes non-harmonic. A possibility of THz radiation control using such gratings is discussed. The predicted phenomena open novel avenues in THz spectroscopy of molecules with unipolar and quasi-unipolar THz light bursts and allow for better control of ultra-short THz pulses.

Особенности Поведения Волн Поляризации При Возбуждении Протяженной Резонансной Среды Перекрывающимися Предельно Короткими Световыми Импульсами

“…Известно, что при когерентном взаимодействии таких импульсов со средой возможно сверхбыстрое изменение населенностей атомных уровней за счет осцилляций Раби [20]. Это приводит к возможности наведения и сверхбыстрого управления электромагнитно индуцированными решетками (ЭМИР) атомных населенностей и поляризации среды с помощью предельно коротких импульсов [29][30][31][32][33]. Данная ситуация возможна, когда импульсы одномоментно не перекрываются в среде [29,30,33] или встречаются внутри среды [31,32].…”

“…Это приводит к возможности наведения и сверхбыстрого управления электромагнитно индуцированными решетками (ЭМИР) атомных населенностей и поляризации среды с помощью предельно коротких импульсов [29][30][31][32][33]. Данная ситуация возможна, когда импульсы одномоментно не перекрываются в среде [29,30,33] или встречаются внутри среды [31,32]. Ранее изучалась возможность наведения ЭМИР с помощью длинных многоцикловых импульсов, не перекрывающихся в среде [34][35][36].…”

“…Динамика волн поляризации и ЭМИР, наводимых длинными многоцикловыми лазерными импульсами, не перекрывающимися в среде, в приближении медленных огибающих изучалась в работе [39]. Однако рассмотренные в этой работе сценарии формирования ЭМИР отличаются от сценариев, разобранных в работах [29][30][31][32][33]38], в которых изучалась возможность создания и управления ЭМИР помощью ПКИ. Динамика волн поляризации при формировании фотонного эха в среде последовательностью ПКИ теоретически рассматривалась в работах [40][41][42][43][44][45].…”

Получение Изолированных Аттосекундных Импульсов С Большой Электрической Площадью В Плотной Резонансной Среде

“…Униполярные импульсы за счет нерезонансного воздействия на микрообъекты способны быстро и более эффективно изменять состояния квантовых систем, по сравнению с длинными многоцикловыми импульсами [3,4,[8][9][10][11][12][13][14], ускорять заряженные частицы [15], поворачивать спин электрона [16,17], осуществлять голографическую запись со сверхвысоким временным разрешением [18].…”

“…Для униполярных импульсов одной из важнейших характеристик является электрическая площадь импульса S E . Воздействие таких импульсов на микробъекты определяется именно электрической площадью импульса, а не его энергией [9][10][11][12][13][14][15][16][17].…”