Ab initio self-consistent laser theory and random lasers
我们回顾了我们最近的工作，导致稳态解的半经典（麦克斯韦-布洛赫）方程的激光。这些都是耦合的非线性偏微分方程的空间和时间，以前已经解决了完全依赖于时间的数值模拟或通过使用主要的近似忽略非线性模式的相互作用和/或开放的激光系统。我们已经找到了一种与时间无关的技术来确定这些固定的解决方案，可以治疗激光器的任意复杂性和开放程度。我们的方法已被证明是同意与时间相关的数值解的高精度，并已被应用到寻找随机激光器，它缺乏一个激光腔和如此强烈的阻尼，线性系统没有检测到的共振的电场模式（激射模式）。我们的工作提供了一个重要的非线性波系统和线性系统中的量子/波混沌领域之间的联系。
2009-01-08 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
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
Quasi-steady-state air waveguide
本文报道了第一代准稳态空气波导，它能引导高平均功率激光束。该波导是由飞秒激光脉冲的高重复率图案化重复产生的。我们证明了近连续引导的CW探测光束具有显着更高的效率比瞬态指导在较低的重复率。
2023-02-07 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
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 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
The spin-flip model of spin-polarized vertical-cavity surface-emitting lasers: asymptotic analysis, numerics, and experiments
考虑了描述光泵自旋极化垂直腔面发射激光器的自旋翻转模型。研究了椭圆极化场模型的稳态解。渐近分析的存在性和稳定性的稳态解的开发，特别是在存在的泵偏振椭圆。膨胀是相对于小参数表示的椭圆率和总泵浦功率和激光阈值之间的差异。分析结果，然后证实数值，它是获得一般的稳态解之一是稳定的，而另一个是不。理论结果与实验结果定性一致。
2016-01-05 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
Ab initio investigation of lasing thresholds in photonic molecules
我们研究了由两个半径稍有不同的耦合有源圆柱体组成的具有代表性的光子分子中的激光阈值。具体来说，我们使用最近制定的稳态从头计算激光理论（SALT）来评估潜在的增益跃迁对激射频率和阈值的影响。我们发现，可以通过选择合适的增益中心频率和线宽的组合，使用常规的方法的准束缚模式，不能得到的结果，在其中模式激光的顺序进行修改。增益转换中心对激射频率的影响，频率牵引效应，也被量化。
2014-06-19 physics.optics
Phase-locking of lasers with Gaussian coupling
本文提出了一种不受阵列几何形状、位置、方向、周期或尺寸影响的稳定同相锁定方法。该方法依赖于在激光器阵列的远场平面中插入腔内高斯孔径。稳定的相位锁定的$90$激光器，其远场图案是由具有极高的功率密度的尖锐的斑点，获得了各种阵列的几何形状，即使在存在近简并的解决方案，几何挫折或叠加的独立的纵向模式。激光器的内部相位结构也可以被抑制，以便获得具有均匀相位和总体高光束质量的纯高斯模式激光输出。该方法可以潜在地提高最近开发的用于解决各种计算问题的激光模拟器的性能。
2021-06-04 physics.optics
Class-A mode-locked lasers: fundamental solutions
研究了同时含有增益和吸收体的A类半导体激光器锁模工作的延迟微分方程模型。材料过程被自动消除，因为与长腔器件的延迟时间相比，这些过程被认为是快速的。利用DDE-BIFTOOL [K. Engelborghs，T. Luzyanina和D. Roose，ACM Trans. Math. Softw. 28，1（2002）]。在分岔图中讨论了稳定定态和基本周期区的共存、转换和滞回行为的多种形式。
2017-10-06 physics.optics
Robust random number generation using steady-state emission of gain-switched laser diodes
我们证明了强大的，高速的随机数生成使用的保证随机相位的稳态发射的干扰，获得通过增益开关的半导体激光二极管。稳态发射容忍大的时间脉冲失调，因此显着提高了干涉质量。使用一个8位的数字化器，其次是一个有限的脉冲响应无偏置算法，我们实现了8和20 Gb/s的随机数生成速率，激光重复率分别为1和2.5 GHz，在干涉仪差分延迟+/-20%的公差。我们还报告了80 Gb/s的产生速率使用部分相位相关的短脉冲。在量子密钥分发领域，我们的研究结果证实了增益开关激光二极管作为一个合适的光源，能够提供相位随机化的相干脉冲的时钟频率高达2.5 GHz。
2014-07-03 physics.optics quant-ph
Bringing short-lived dissipative Kerr soliton states in microresonators into a steady state
最近在光学微谐振器中产生了耗散克尔孤子，使微波重复率下的超短光脉冲成为可能，构成了相干和数值可预测的克尔频率梳。然而，时间孤子的播种和激发与腔内功率的变化相关联，这可能导致在激发过程期间的大的热共振位移，并使最常用的谐振器平台中的孤子状态短暂。在这里，我们描述了一种“功率踢”的方法来克服这种不稳定性，通过调制泵浦激光的功率。快速调制触发孤子形成，而功率的缓慢调节补偿激发激光扫描期间的热效应。使用这种方法，最初也非常短的寿命（100 ns）的孤子状态，遇到的SiN集成的光子微谐振器，可以被带入一个稳定的状态相比，早期报道的技术，依赖于调整的激光扫描速度只。一旦孤立子状态处于稳定状态，它可以持续数小时，并且是热自锁的。
2016-07-25 physics.optics
Intrinsic Amplitude-Noise Suppression in Fiber Lasers Mode-locked with Nonlinear Amplifying Loop Mirrors
本文研究了具有振幅噪声抑制机制的非线性放大环镜锁模光纤激光器的稳态特性。由于正弦传输函数与波动的腔内脉冲幅度的相互作用，我们表明，这种机制可能会导致在特定的前提下，在反射和透射输出端口的相对强度噪声的可检测的差异。我们提出了系统的强度噪声测量与非线性光纤为基础的系统，复制一个单一的往返在激光腔。实验结果和模拟清楚地表明，减少腔内振幅波动高达4分贝的某些稳定状态。
2020-11-10 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
Steady-State Statistical Modeling of Digitally Stabilized Laser Frequency with Markov-State Feedback
Lightmatter Inc.（Lightmatter公司）
本文提出一种基于马尔可夫状态的离散时间框架，用于建模数字激光频率锁中的量化执行器演化，通过频率鉴别器响应、噪声统计和数字控制逻辑确定状态转移概率，提供稳态执行器和锁定激光频率分布的直接解法，适用于分析和优化集成光子系统中的数字稳定激光。
2026-04-08 physics.optics quant-ph
All Optical Flip-Flop Based on Coupled Laser Diodes
提出了一种基于两个耦合的相同激光二极管的全光置位-复位触发器。激光器被耦合，使得当其中一个激光器发射激光时，它抑制另一个激光器的激光发射。触发器的状态由当前发射激光的激光器决定。速率方程被用来模拟触发器，并获得稳态特性。该触发器的实验证明，通过使用镀膜激光二极管和自由空间光学。
1999-09-21 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
Disorder-mediated synchronization resonance in coupled semiconductor lasers
Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Yale University（耶鲁大学）；National Tsing Hua University（国立清华大学）
本研究通过优化耦合强度，在半导体激光器中实现由 disorder 引发的同步共振，揭示了非线性系统中适度耦合克服静态异质性的机制。
2026-02-01 physics.optics
Noise induced stabilization of chaotic free-running laser diode
本文从理论上研究了具有偏振混沌动力学特性的自由运转垂直腔面发射激光器的稳定性。我们报告存在一个边界隔离的混沌吸引子的一侧和一个稳定的状态的另一侧，并确定不稳定的周期轨道起分界线的作用。此外，我们强调了一个小范围的参数，其中混沌吸引子通过这个边界，因此，混沌只出现作为一个瞬态行为。然后，包括激光器中的自发发射噪声的影响，我们证明，对于现实水平的噪声，系统被系统地推过分离解决方案。因此，我们表明，混沌动力学不能持续，除非在分界线的另一边的稳定状态变得不稳定。最后，我们将这种稳定状态的稳定性与激光腔中的双折射的小值联系起来，并讨论了这一结果对未来实验工作的意义。
2016-05-12 nlin.CD 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
Steady regime of radiation pressure acceleration with foil thickness adjustable within micrometers under 10-100 PW laser
研究发现10-100 PW激光下辐射压加速存在稳态机制，匹配箔厚度可扩展至微米量级，实现多GeV准单能质子束的稳定产生。
2023-05-10 physics.optics physics.plasm-ph
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
Quantitative test of general theories of the intrinsic laser linewidth
本研究通过加入Langevin力项的半经典Maxwell-Bloch方程有限差分时域模拟，定量检验激光线宽理论，验证了N-SALT理论在线宽功率变化及弛豫振荡边峰方面的预测准确性。
2015-06-12 physics.comp-ph physics.optics
Background-free quasi-steady-state photoinduced absorption spectroscopy by dual optical modulation
我们提出了一种简单而廉价的方法来测量无背景光诱导吸收光谱，通过实施双光调制方案。我们的目标是测量准稳态吸收光谱的长寿命的光激发，如极化子和三重态激子在有机半导体，当样品的光致发光是强的光诱导吸收信号相比。在我们的仪器中，我们在激发材料之前用机械斩波器调制频率为$f_{pu}$的连续波激光。我们测量透射率的分数变化的样品与可调谐的单色探针源调制在一个频率$f_{pr}$，并与数字锁相放大器在一个参考频率$f_{ref} = f_{pu} + f_{pr}$。我们使用一个简单的自制电子电路来产生锁相放大器的参考正弦波，该电路产生它们的和频信号。该方案允许测量由频率为$f_{pu} + f_{pr}$的泵浦激光引起的样品透射率的分数变化，而没有频率为$f_{pu}$的寄生信号，例如样品的光致发光或泵浦激光散射。我们通过测量一种高度发光的半导体聚合物聚（9，9-二辛基芴-co-苯并噻二唑）在10.K下的光致吸收光谱来证明这种方法的能力。我们比较这个测量有利的是，通过简单的调制后，减去占主导地位的光致发光背景的泵浦激光。
2010-07-25 cond-mat.mtrl-sci 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
The two-level atom laser: analytical results and the laser transition
用解析方法研究了二能级原子激光问题。稳态解表示为连分数，并允许通过有理函数进行精确近似。此外，我们发现，在泵浦依赖性的稳态人口的突变直接与过渡到激光制度。急剧过渡到泊松统计的条件表示为消失的腔损耗和轻物质耦合的比例限制，$κ\to 0$，$g \to 0$，使得$g^2/κ$保持有限和$g^2/κ> 2 γ$，其中$γ$是原子损耗率。同样的标度过程也显示出描述了类似的变化泊松分布在斯库利-兰姆激光模型太，表明低- $κ$，低- $g$渐近是一个更普遍的意义的激光跃迁。
2011-11-02 cond-mat.mes-hall physics.atom-ph physics.optics
Spin Modulation in Semiconductor Lasers
我们提供了一个分析研究的动态半导体激光器注入（泵）的自旋极化电子，以前认为在稳态制度。利用准静态和小信号分析的互补方法，我们阐明了如何在半导体激光器的自旋调制可以提高性能，相比传统的（自旋非偏振）的同行。我们揭示了自旋极化注入可以提高自旋激光器的带宽和理想的开关特性。
2010-04-05 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other physics.optics
Steady information transfer through free-space employing orthogonal aberration mode division multiplexing
在本文中，我们提出并实验证明通过自由空间的信息传输使用的激光束编码与多个正交的像差模式在其相位分布。我们使用Zernike多项式，形成一个完整的基函数来表示像差模式。用户信息被编码为多个泽尼克模式的振幅，其线性组合用于定义发射站中激光束的波前。因此，它需要单相调制设备，因为多路复用是数字地完成的，从而提供了所使用的模式的数量和类型的灵活性。接收站使用波前传感器，该波前传感器从被解码以检索用户信息的单个测量给出所有像差模式的直接测量。传输机制使得能够使用多个模式和每个模式的多个强度来编码用户信息和外部扰动补偿，利用正交模式的完整性。
2019-10-04 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Steady-State Micro-Bunching based on Transverse-Longitudinal Coupling
本文研究SSMB的纵向弱聚焦、强聚焦及GLSF三种情形，提出利用横向-纵向耦合产生1 kW平均功率EUV光的GLSF储存环方案。
2024-12-08 physics.acc-ph physics.app-ph physics.ins-det
