Steady-state Ab Initio Laser Theory: Generalizations and Analytic Results
我们改进了Tureci等人的稳态从头算激光理论（SALT），将其基本自洽方程表达在包含精确阈值激光模式的阈值恒定通量状态基集中。对于具有非均匀折射率和/或非均匀增益的腔，新的基组允许以更高的效率计算稳态激光特性。SALT的这个公式可以在单极近似中求解，单极近似给出了强度和阈值，包括所有阶次的非线性烧孔相互作用的影响，计算量可以忽略不计。近似产生了一些分析预测，包括一个“增益钳制”的过渡，强模态相互作用抑制所有更高的模式。我们表明，单极近似同意精确的SALT计算，特别是高Q腔。在这个有效性范围内，它提供了一个非常有效的技术建模现实和复杂的激光。
2010-10-13 physics.optics
Ab-initio multimode linewidth theory for arbitrary inhomogeneous laser cavities
我们提出了一个多模激光线宽理论的任意腔结构和几何形状，包含几乎所有以前已知的影响，并发现新的非线性和多模校正，例如一个坏腔校正亨利$α$因子和多模Schawlow-汤斯关系（每个线宽是正比于所有激光模式的逆功率之和）。我们的理论产生了一个定量准确的公式的线宽，没有自由参数，包括系统的全部空间自由度。从Maxwell-Bloch方程出发，我们通过引入随机电流来处理量子和热噪声，随机电流的相关性由涨落耗散定理给出。我们推导出激光模振幅的耦合模方程，并得到了稳态激光模上的简单积分的线宽公式。
2015-05-13 physics.optics
Ab-initio calculations of laser-atom interactions reveal harmonics feedback during macroscopic propagation
我们耦合完整的三维从头算量子演化的光脉冲偏振与原子的相互作用与传播模型来模拟超短激光脉冲的传播宏观尺寸，在存在的自生谐波高达11阶。我们证明了一个明确的反馈所产生的谐波传播，电离概率的影响，以及谐波产生本身的产量。
2019-06-20 physics.comp-ph physics.optics
Dynamic light diffusion, Anderson localization and lasing in disordered inverted opals: 3D ab-initio Maxwell-Bloch computation
我们报道了在具有完全光子带隙的倒置无序蛋白石中光的安德森局域化的三维时域并行模拟。研究了飞秒激光激发下的动态扩散过程，计算了扩散常数和衰变时间随无序强度的变化。我们报告的证据，从离域布洛赫振荡过渡到强烈的本地化共振自启动激光过程。
2008-02-26 physics.optics
Steady-state ab initio laser theory for complex gain media
我们推导并测试了稳态从头算激光理论（SALT）的推广来处理复杂的增益介质。广义理论（C-SALT）能够处理具有扩散和多重激光跃迁的原子和分子增益介质，以及自由载流子近似下的半导体增益介质，包括完全考虑泡利阻塞效应。该理论的关键假设是能级粒子数的平稳性，这导致了粒子数和激光模式的耦合自洽方程，该方程充分考虑了开放性和非线性空间烧孔效应。这些方程可以有效地解决了稳态激光特性的一个类似的迭代过程中SALT，其中一个静态增益介质与一个单一的过渡假设。该理论进行了测试，通过比较效率低得多的时域有限差分（FDTD）方法和良好的协议被发现。使用C-SALT来分析不同的增益扩散常数的影响，我们证明了一个交叉之间的制度，强大的空间烧孔与多模激光可以忽略不计的空间烧孔的制度，导致增益箝位，和单模激光。空间不均匀泵浦扩散相结合的效果也进行了研究，并确定了在这些条件下持续空间不均匀性的相关长度尺度。对于半导体增益模型，我们证明了由于泡利阻塞的抽运强度的变化的频率偏移。
2014-06-25 physics.optics
Charge Transport in Interband Cascade Lasers: An Ab-Initio Self-Consistent Model
本文提出一种自洽密度矩阵速率方程模型，用于模拟带间级联激光器在导带与价带异质结构中的电荷输运，实现了对光-电流-电压曲线的可靠预测，深化了对器件机制的理解并支持新型设计。
2024-05-31 physics.optics
Ab Initio Simulation of Electrical Currents Induced by Ultrafast Laser Excitation of Dielectric Materials
从理论上研究了几个周期的强激光脉冲在绝缘体中产生超快电流的过程。基于含时密度泛函理论的从头计算模拟深入研究了飞秒尺度绝缘体-金属跃迁的感应电流的原子尺度性质。我们观察到的过渡，从非线性极化电流在低强度的激光脉冲在较高的激光强度隧穿激发到导带。在高强度下，电流在激光脉冲结束后持续存在，被认为是飞秒尺度上的介电击穿的前兆。我们发现，转移的电荷敏感地依赖于极化轴相对于晶轴的取向，这表明诱导的电荷分离反映了各向异性的电子结构。我们发现很好的协议与最近的实验数据的强度和载波相位依赖性[A。Schiffrin等人，Nature（London）493，70（2013）]。
2014-08-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Ab-initio calculations of the linear and nonlinear susceptibilities of N$_2$, O$_2$, and air in the mid-infrared
我们目前的第一性原理计算的线性和非线性极化率的N $_2$，O $_2$，和空气在中红外波长范围内，从$1-4$ $μ$ m。我们从含时密度泛函理论计算的全含时偶极矩中提取了含时极化率。我们发现很好的协议与曲线来自实验结果的线性极化率，并与测量的非线性极化率高达2.4 $μ$ m。我们还发现，即使在高达$5\times 10^{13}$ W/cm $^2$的强场区，双折射率对激光强度也不敏感。我们的结果将允许精确计算的长距离传输的强烈的MIR激光脉冲在空气中。
2018-04-10 physics.optics
Nonlinear exceptional-point lasing with ab-initio Maxwell-Bloch theory
我们提出了一个一般性的分析，发现和表征阈值以上的非线性例外点（EP）激光器，使用稳态从头算麦克斯韦布洛赫方程。对于一个系统的耦合板，我们表明，非线性EP获得外部泵在每个谐振器之间的一个给定的比例，它是与一个扭结的输出功率和激射频率，确认耦合模理论的预测。通过数值线性稳定性分析，我们证实了EP激光器可以稳定足够大的反转弛豫率。我们进一步指出，EP激光器的特点是散射出激光腔的微弱信号，使散射频谱表现出四倍发散。我们的方法可以适用于任意散射体与多层次的增益介质。
2022-12-20 physics.app-ph physics.optics
Unified ab initio treatment of attosecond photoionization and Compton scattering
提出了一种新的理论方法来研究阿秒激光辅助的光电离和康普顿电离。阿秒X射线吸收和散射由$\hat{\mathrsfs{S}}^{(1,2)}$ -矩阵描述，该矩阵是激光修改的Furry表示中的“单色”$\hat{S}^{(1,2)}$ -矩阵的相干叠加。除了完善现有的软X射线光电子阿秒条纹相机和光谱相位干涉术（ASC和ASPI）的理论，我们制定了硬X射线光电子和康普顿ASC和ASPI的理论。由此产生的计划有一个简单的结构，并导致电离振幅的封闭形式的表达式。本文研究了库仑-沃尔科夫连续介质中的康普顿电子干涉，其中库仑场和激光场都是非微扰的。我们发现，在低于10 $^{13}$ Wcm $^{-2}$的激光场强度的归一化康普顿线几乎与在无激光制度中获得的线重合。在更高的强度，阿秒干扰生存整合超过电子动量，并在康普顿线本身的特点突出。我们定义了一个制度，电子基态密度可以测量的阿秒时间间隔的可控精度。新理论为从实验数据中提取光电子和康普顿电子相以及原子和分子波函数提供了坚实的基础。
2010-12-23 physics.atom-ph physics.optics
Ab initio simulation of attosecond transient absorption spectroscopy in two-dimensional materials
我们将阿秒瞬态吸收光谱的第一性原理分析扩展到二维材料。作为二维材料的一个例子，我们将分析应用到单层六方氮化硼（h-BN），并计算其瞬态光学性质下强烈的几个周期的红外激光脉冲。在计算的瞬态吸收光谱中观察到非绝热特征。为了阐明这些特征的微观起源，我们用密度泛函理论分析了h-BN的电子结构，并用一个简单的两带模型研究了特定能带的动力学。最后，我们发现，激光诱导的带内跃迁在瞬态吸收中起着重要的作用，即使是二维材料，非绝热特征是由动态Franz-Keldysh效应与异常带色散引起的。
2018-09-05 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ab-initio multi-scale simulation of high-harmonic generation in solids
高次谐波产生的红外激光场与物质的高度非线性相互作用允许在XUV光谱制度的阿秒脉冲的产生。这一过程在原子中已经很好地建立起来，最近已扩展到凝聚相。在30阶以下的谐波中，已经观察到了非常明显的谐波。本文首次对固态高次谐波产生进行了从头算多尺度模拟。我们发现，扩展系统的介观效应，特别是整个布里渊区的现实采样，在稠密介质中的脉冲传播，以及晶体的不均匀照明有很强的影响清洁谐波光谱的形成。我们的研究结果提供了一个新的解释清洁谐波的形成，并具有广泛的非线性光学过程在稠密介质中的影响。
2017-11-24 physics.optics
Nonlinear modal interactions in parity-time (${\cal PT}$) symmetric lasers
宇称时间（$\cal PT$）对称激光器由于其具有自由光谱范围加倍和单模激射等诱人的特性，近年来引起了人们的广泛关注。在这项工作中，我们讨论了非线性模式在这些激光系统中的相互作用在稳态条件下，我们证明了几个增益箝位的情况下，可以发生激射操作中的$\cal PT$对称和$\cal PT$ -打破阶段。特别是，我们表明，根据系统的设计和外部泵的配置文件，其操作在非线性政权分为两个不同的类别：在一个系统被冻结在$\cal PT$相空间作为应用的增益增加，而在其他系统被拉向其例外点。这些功能首先说明了耦合模式的形式主义，后来验证采用稳态从头算激光理论（SALT）。我们的研究结果照亮了这些激光器的单模操作对$\cal PT$对称激光器的饱和非线性的鲁棒性。
2016-04-15 physics.optics
Ab-initio study of high harmonic generation from fullerenes: Multi-orbital effects, correlations, and size dependence
Technion - Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本研究发现全碳簇在高阶谐波生成中存在异常高能第二平台，揭示了其独特的量子共振机制。
2026-07-14 physics.optics
Condensation of Thresholds in Multimode Microlasers
我们表明，从从头算激光理论，通过选择一个适当的空间泵浦分布，许多不同的空间模式的一个典型的微激光器可以打开在相同的泵浦能量，大大增加了数量，N，同时激射模式。当系统被均匀泵浦到第N个模阈值时，可以简单地从空间相关的饱和增益分布的知识获得最佳泵浦分布。我们通过将其应用于二维扩散随机激光器和微盘激光器来检验这个一般结果。在合理的泵浦功率下实现高度多模激光发射对于降低激光源的空间相干性是有用的，使得它们适合用于无斑点成像和其他应用。
2016-07-27 physics.optics
Electromagnetically induced transparency for x rays
预测了x射线在激光修饰氖气中的电磁感应透明（EIT）。用适合于光学强场问题的从头算理论计算了Ne K边附近的X射线光吸收截面和极化率。激光波长被调谐到接近1 s ^-1 3s和1 s ^-1 3 p之间的跃迁（约800 nm）。观察EIT所需的最小激光强度约为10^12 W/cm ^2。从头计算结果进行了讨论，在一个精确可解的三能级模型。这项工作为超快X射线源的研究提供了新的机会。
2007-06-25 physics.atom-ph physics.ins-det physics.optics
General linewidth formula for steady-state multimode lasing in arbitrary cavities
从半经典激光理论解的散射分析出发，导出了多模非线性区任意腔的激光线宽公式。该理论概括了以前的治疗效果的增益和开放性所描述的彼得曼因素。线宽表示使用的非线性散射矩阵，这可以从稳态从头计算激光理论的基础上的数量;与以前的治疗，没有被动腔或现象学参数参与。我们发现，低腔品质因数，结合显着的介电色散，可以导致从Schawlow-Townes-Petermann理论的实质性偏差。
2012-07-18 physics.optics
Ab initio phonon coupling and optical response of hot electrons in plasmonic metals
超快激光测量探测金属中激发电子的非平衡动力学，具有越来越高的时间分辨率。电子结构计算可以提供一个详细的微观热电子动力学的理解，但泵探测测量的参数自由的描述还没有可能，尽管深入的研究，因为电子-声子相互作用的唯象处理。我们提出了从头计算预测的电子温度依赖的热容量和电子-声子耦合系数的等离子体金属。我们发现从自由电子和半经验的估计，特别是在贵金属以上的瞬态电子温度为2000 K，因为以前被忽视的电子-声子矩阵元素对电子能量的强依赖性的实质性差异。我们还提出了第一性原理计算的电子温度依赖的介电响应的热电子在等离子体金属，包括直接带间和声子辅助带内跃迁，促进完整的理论预测的时间分辨的光学探针签名在超快激光实验。
2016-07-28 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph physics.optics
High-resolution ab initio three-dimensional X-ray diffraction microscopy
相干X射线衍射显微术是一种成像非周期性孤立物体的方法，其分辨率原则上仅受记录的最大散射角的限制。我们证明了X射线衍射成像在所有三个维度上具有高分辨率，通过定量分析重建的体积图像来确定。这些图像是从3D衍射数据中检索出来的，不使用关于物体形状或组成的先验知识，这在以前从未在非周期性物体上得到过证明。我们还构建了具有无限焦深的厚物体的2D图像（不损失横向空间分辨率）。这些方法可用于使用X射线波荡器辐射以高分辨率对生物和材料科学样品进行成像，并建立了在X射线自由电子激光源处用于原子分辨率超快成像的技术。
2005-09-08 physics.optics
Spectral method for efficient computation of time-dependent phenomena in complex lasers
由于Maxwell-Bloch方程中固有的饱和非线性，研究激光器中的时间相关行为在分析上是困难的，并且由于在传统的FDTD方法中离散时间和空间所需的计算资源，在数值上是苛刻的。本文描述了一种有效的光谱方法，以克服在任意形状、增益介质分布和泵浦轮廓的复杂激光器中的这些缺点。我们将这种方法应用于准简并双模激光在不同的动力学机制，并比较结果的长时间限制的稳态从头算激光理论（SALT），这也是建立在一个光谱的方法，但作出了更具体的分析的长时间动力学演化的半经典激光方程。分析一个参数制度以外的已知域的有效性的固定反演近似，我们发现，只有一个狭窄的制度的泵浦功率的反演是不固定的，这，作为泵浦功率进一步增加，触发一个同步过渡后，反转再次成为固定的。我们提供了一个详细的模式同步（又名合作频率锁定）的分析，揭示了有趣的动力学特性，这样的激光系统在附近的同步阈值。
2015-07-31 physics.optics
Lithium Ionization by a Strong Laser Field
本文研究了锂原子与强激光场相互作用的从头计算。在一维软核近似下，给出了含时全关联三粒子薛定谔方程的数值解。我们的结果显示，随着强度的增加，双电离从非顺序到顺序的明显转变。非顺序双电离被发现是敏感的自旋配置的电离对。这种不对称性，也发现在实验中的锂与同步辐射的光电离，显示的证据的影响，不相容原理在潜在的再散射机制。
2004-08-31 physics.atom-ph physics.optics
Ab initio insights on the ultrafast strong-field dynamics of anatase TiO$_2$
本研究通过实时TDDFT模拟，揭示了锐钛矿TiO$_2$在超短强激光场下的电子动力学机制，明确了不同波长和强度下的电离行为、损伤阈值及光学克尔效应，为非线性光子器件设计提供了理论依据。
2023-06-30 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Ab-initio Theory of Photoionization via Resonances
本文提出了一种计算多电子系统自电离共振附近光电离谱的\emph{ab-initio}方法。虽然传统的（厄米特）理论通常需要计算连续态，这是很难获得高精度，我们的非厄米特方法只需要离散的束缚态和亚稳态，这是精确计算与先进的量子化学工具。我们推导出一个简单的公式的吸收线形状附近的Fano共振，它涉及到复杂的跃迁偶极矩的相位的光谱峰的不对称性。此外，我们提出了一个公式的电离光谱的激光驱动的目标和'Autler-Townes'分裂的谱线的存在例外点的哈密顿量。我们应用我们的公式计算氦原子的自电离谱，但我们的理论也适用于非平凡的多电子原子和分子。
2019-05-02 physics.atom-ph physics.optics
SALMON: Scalable Ab-initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience
SALMON（Scalable Ab-initio Light-Matter simulator for Optics and Nanoscience，http://salmon-tddft.jp）是一个基于第一性原理时间依赖密度泛函理论的分子、纳米结构和晶体固体的电子动力学和光学性质模拟软件包。该软件的核心部分是实时，实空间计算的电子动力学在分子和固体诱导的外部电场解决时间相关的科恩-沙姆方程。利用弱瞬时扰动场，确定了孤立系的极化率和光致伸缩等线性响应特性以及周期系的介电函数。利用激光脉冲，在时域内研究了超快电子响应，这种响应在电场强度上可能是高度非线性的。激光脉冲在大块固体和薄膜中的传播也可以包括在模拟中，通过使用描述电磁场的时间演化的麦克斯韦方程在许多微观单位单元中耦合电子动力学。该程序被有效地并行化，以便它可以描述包括多达几千个原子的大系统中的电子动力学。本文件概述了该软件包的能力，显示了几个示例计算。
2018-04-04 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph physics.optics
Modeling lasers and saturable absorbers via multilevel atomic media in the Meep FDTD software: Theory and implementation
本技术说明描述了Meep中激光器和可饱和吸收体的多层原子介质的物理模型、数值实现和验证：Meep是一个用于电磁学模拟的免费/开源时域有限差分（FDTD）软件包。在时域中模拟多级介质涉及通过Maxwell-Bloch方程的推广将电子能级的布居速率方程与Maxwell方程耦合。我们描述的基本方程和它们的实现使用二阶离散化方案，并证明它们的等价性的量子密度矩阵模型。Meep的实现验证使用一个单独的FDTD密度矩阵模型，以及基于稳态从头算激光理论（SALT）的频域求解器。
2020-09-11 physics.comp-ph physics.optics
Model for the Atomic Dielectric Response in Time Dependent Laser Fields
提出了一个计算强激光电场作用下原子介电响应的非局域量子模型。通过在薛定谔方程中用非定域势代替库仑势，可以用0+1D积分方程代替3+1D计算随时间变化的电偶极矩，从而提供显著的计算节省。该模型是基准对建立的电离模型和\textit{ab initio}模拟的时间相关的薛定谔方程。减少的计算开销使该模型成为一个有前途的候选人，将全量子力学时间动力学在激光脉冲传播模拟。
2013-11-21 physics.atom-ph physics.optics physics.plasm-ph
Controlling ultrafast currents by the non-linear photogalvanic effect
从理论上研究了飞秒激光脉冲作用下透明介质（SiO2）中反转对称性破缺对超快电流产生和控制的影响。基于含时密度泛函理论的从头算模拟预测了超快直流电流，该电流可以被视为非线性光电流效应。最令人惊讶的是，在激光强度I_c ~ 3.8*10^13 W/cm 2的临界阈值以上，电流方向突然逆转。我们跟踪这种开关的过渡，从非线性极化电流的隧穿激发制度。我们证明了两个激光脉冲之间的时间延迟的超快电流的控制。我们发现，超快电流控制的非线性光电效应是非常强大的和不敏感的激光脉冲的形状和载波包络相位。
2015-03-20 cond-mat.other physics.atm-clus physics.optics
