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

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Arkhipov, R.; Pakhomov, A.; Arkhipov, M.; Babushkin, I.; Demircan, A. et al.: Population difference gratings created on vibrational transitions by nonoverlapping subcycle THz pulses. In: Scientific Reports 11 (2021), 1961. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-021-81275-8

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Kleine Vorschau
Zusammenfassung: 
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 H20 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.
Lizenzbestimmungen: CC BY 4.0 Unported
Publikationstyp: Article
Publikationsstatus: publishedVersion
Erstveröffentlichung: 2021
Die Publikation erscheint in Sammlung(en):Fakultät für Mathematik und Physik

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