Abstract
A pedagogical review of optical spectroscopy and control at the “impulsive” limit, defined as a time scale faster than the fundamental vibrational or molecular motion under examination, is presented. Optical absorption and stimulated Raman scattering in this limit are seen to result in coherent vibrational motion in molecules and materials. A theoretical description of impulsive absorption and stimulated Raman scattering is followed by a survey of illustrative examples in which time-resolved observations of molecular and collective vibrational excitations are recorded. The topic then turns to optical control, beginning with a discussion of femtosecond pulse shaping through which complex ultrafast optical waveforms needed for many control objectives are produced. Theoretical formulations for optical control are reviewed, and a series of examples illustrating optical control over molecules and materials is presented.
Access this chapter
Tax calculation will be finalised at checkout
Purchases are for personal use only
Preview
Unable to display preview. Download preview PDF.
References
M. M. Wefers, K. A. Nelson, Opt. Lett. 18, 2032 (1993).
A. M. Weiner, J. P. Heritage, E. M. Kirschner, J. Opt. Soc. Am. B 5, 1563 (1988).
C. W. Hillegas, J. X. Tull, D. Goswami, D. Strickland, W. S. Warren, Opt. Lett. 19, 737 (1994).
E. J. Heller, J. Chem. Phys. 68, 2066–2076 (1978).
E. J. Heller, R. L. Sundberg, D. Tannor, J. Phys. Chem. 86, 1822–1833 (1982).
E. J. Heller, Acc. Chem. Res. 14, 368–375 (1981).
S.-Y. Lee, E. J. Heller, J. Chem. Phys. 71, 4777–4788 (1979).
L. Dhar, J. A. Rogers, K. A. Nelson, Chem. Rev. 94, 157 (1994).
A. Yariv, Quantum Electronics (John Wiley & Sons, New York, 1989).
Y. R. Shen, Principles of Nonlinear Optics (Wiley, 1984).
A. A. Maznev, T. F. Crimmins, K. A. Nelson, accepted, Opt. Lett. (1998).
W. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy (John Wiley & Sons, New York, 1989).
L. Dhar, J. A. Rogers, K. A. Nelson, Chem. Rev. 94, 157–193 (1994).
T. J. Smith, L. W. Ungar, J. A. Cina, J. Luminescence 58, 66–73 (1994).
V. Romero-Rochin, J. Cina, Phys. Rev. A 50, 763–778 (1994).
S. Mukamel, Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy (The Clarendon Press, Oxford, 1995).
W. T. Pollard, S.-Y. Lee, R. A. Mathies, J. Chem. Phys. 92, 4012–4029 (1990).
J. Chesnoy, A. Mokhtari, Rev. Phys. Appl. 22, 1743–171747 (1987).
R. Y. Chiao, C. H. Townes, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 12, 592 (1964).
S. D. Silvestri, J. G. Fujimoto, E. P. Ippen, E. B. Gamble, L. R. Williams, K. A. Nelson, Chem. Phys. Lett. 116, 146–152 (1985).
D. H. Auston, Appl. Phys. Lett. 43, 713–715 (1983).
D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555–1558 (1984).
D. H. Auston, M. C. Nuss, IEEE J. Quantum Electron. 24, 184–197 (1988).
D. A. Kleinman, D. H. Auston, IEEE J. Quantum Electron. QE-20, 964–970 (1984).
R. M. Koehl, S. Adachi, K. A. Nelson, submitted, J. Chem. Phys. (1998).
T. P. Dougherty, G. P. Wiederrecht, K. A. Nelson, M. H. Garrett, H. P. Jensen, C. Warde, Science 258, 770 (1992).
S. Ruhman, A. G. Joly, B. Kohler, L. R. Williams, K. A. Nelson, Rev. Phys. Appl. 22, 1717–1734 (1987).
S. Ruhman, A. G. Joly, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 86, 6563 (1987).
S. Ruhman, B. Kohler, A. G. Joly, K. A. Nelson, IEEE J. Quantum Electronics 24, 470–481 (1988).
S. Ruhman, L. R. Williams, A. G. Joly, B. Kohler, K. A. Nelson, J. Phys. Chem. 91, 2237–2240 (1987).
S. Ruhman, B. Kohler, A. G. Joly, K. A. Nelson, Chem. Phys. Lett. 141, 16–24 (1987).
C. H. Lin, J. P. Heritage, T. K. Gustafson, R. Y. Chiao, J. P. McTague, Phys. Rev. A 13, 813 (1976).
N. F. Scherer, D. F. Jonas, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 99, 153 (1993).
L.-T. Cheng, K. A. Nelson, Phys. Rev. B 37, 3603–3610 (1988).
S. M. Silence, S. R. Goates, K. A. Nelson, Chem. Phys. 149, 233–259 (1990).
M. J. Banet, M. Fuchs, J. A. Rogers, R. Logan, A. A. Maznev, K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. (1998).
Y. Yang, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 103, 7732–7739 (1995).
Y. Yang, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 103, 7722–7731 (1995).
Y. Yang. K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 104, 1–8 (1996).
A. R. Duggal, J. A. Rogers, K. A. Nelson, M. Rothschild, Appl. Phys. Lett. 60, 692–694 (1992).
T. F. Crimmins, A. A. Maznev, K. A. Nelson, submitted, Appl. Phys. Lett. (1998).
C. Thomsen, H. T. Grahn, H. J. Mans, J. Tauc, Phys. Rev. B 34, 4129–4138 (1986).
H. T. Grahn, H. J. Maris, J. Tauc, IEEE J. Quantum Electron. 25, 2562–2568 (1989).
M. J. Rosker, F. W. Wise, C. L. Tang, Phys. Rev. Lett. 57, 321–324 (1986).
M. J. Rosker, M. Dantus, A. H. Zewail, J. Chem. Phys. 89, 6113–6127 (1988).
K. A. Nelson, L. R. William, Phys. Rev. Lett. 58, 745 (1987).
J. Chesnoy, A. Mokhtari, Phys. Rev. A 38, 3566–3576 (1988).
M. Dantus, R. M. Bowman, A. H. Zewail, Nature 343, 737–739 (1990).
M. Cho, J.-Y. Yu, T. Joo, Y. Nagasawa, S. Passino, G. R. Fleming, J. Phys. Chem. 100, 11944 (1995).
T. Joo, W. Jia, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 102, 4065 (1995).
R. Zadoyan, Z. Li, C. C. Martens, V. A. Apkarian, J. Chem. Phys. 101, 6648–6657 (1994).
M. H. Vos, F. Rappaport, J. C. Lambry, J. Breton, J.-L. Martin, Nature 363, 320–325 (1993).
Q. Wang, R. W. Schoenlein, L. A. Peteanu, R. A. Mathies, C. V. Shank, Science 266, 422–424 (1994).
L. Genberg, L. Richard, G. McLendon, R. J. D. Miller, Science 251, 1051–1054 (1991).
T. K. Cheng, S. D. Brorson, A. S. Kazeroonian, J. S. Moodera, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, E. P. Ippen, Appl. Phys. Lett. 57, 1004–1006 (1990).
T. K. Cheng, J. Vidal, H. J. Zeiger, G. Dresselhaus, M. S. Cresselhaus, E. P. Ippen, Appl. Phys. Lett. 59, 1923–1925 (1991).
T. K. Cheng, L. H. Acioli, J. Vidal, H. J. Zeiger, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, E. P. Ippen, Appl. Phys. Lett. 62, 1901–1903 (1993).
H. J. Zeiger, T. K. Cheng, E. P. Ippen, J. Vidal, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 105–123 (1996).
S. Hunsche, K. Wienecke, T. Dekorsy, H. Kurz, Phys. Rev. Lett. 75, 1815–1818 (1995).
S. Hunsche, H. Kurz, Appl. Phys. A 65, 221–229 (1997).
G. C. Cho, W. Kütt, H. Kurz, Phys. Rev. Lett. 65, 764–766 (1990).
J. M. Chwalek, C. Uher, J. F. Whitaker, G. A. Mourou, J. Agostinelli, M. Lelental, Appl. Phys. Lett. 57, 1696–1698 (1990).
W. Albrecht, T. Kruse, H. Kurz, Phys. Rev. Lett. 69, 1451–1454 (1992).
S. B. Fleischer, B. Pevzner, D. J. Dougherty, H. J. Zeiger, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, E. P. Ippen, A. F. Hebard, Appl. Phys. Lett. 71, 2734–2736 (1997).
M. Haner, W. S. Warren, Appl. Phys. Lett. 52, 1458 (1988).
M. M. Wefers, K. A. Nelson, J. Opt. Soc. Am. B 12, 1343–1362 (1995).
M. M. Wefers, K. A. Nelson, IEEE J. Quantum Electron. 32, 161–172 (1996).
J. P. Heritage, A. M. Weiner, R. N. Thurston, Opt. Lett. 10, 609 (1985).
R. N. Thurston, J. P. Heritage, A. M. Weiner, W. J. Tomlinson, IEEE J. Quantum Electron. QE-22, 682–696 (1986).
O. E. Martinez, IEEE J. Quantum Electron. QE-23, 59 (1987).
O. E. Martinez, J. Opt. Soc. Am. B 3, 929–934 (1986).
A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel, J. R. Wullert, Opt. Lett. 15, 326 (1990).
A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel, J. R. Wullert, IEEE J. Quantum Electron. 28, 908–920 (1992).
M. M. Wefers, K. A. Nelson, Opt. Lett. 20, 1047 (1995).
C. H. Gooch, H. A. Tarry, J. Phys. D 8, 1575 (1975).
M. M. Wefers, K. A. Nelson, A. M. Weiner, Opt. Lett. 21, 746 (1996).
M. C. Nuss, R. L. Morrison, Opt. Lett. 20, 740–742 (1995).
R. M. Koehl, T. Hattori, K. A. Nelson, to be published.
W. S. Warren, H. Rabitz, M. Dahleh, Science 259, 1581 (1993).
H. Kawashima, M. M. Wefers, K. A. Nelson, Ann. Rev. Phys. Chem. 46, 627 (1995).
B. Kohler, J. L. Krause, F. Raksi, K. R. Wilson, V. V. Yakovlev, R. M. Whitnell, Y. Yan, Acc. Chem. Res. 28, 133–140 (1995).
N. Bloembergen, A. H. Zewail, J. Phys. Chem. 88, 5459 (1984).
A. E. Bryson Jr., Y.-C. Ho, Applied Optimal Control (Hemisphere Publishing Corp., Washington, 1975).
I. M. Gelfand, S. V. Fomin, Calculus of Variations (Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1963).
A. J. Lichtenberg, M. A. Lieberman, Regular and Chaotic Dynamics (Springer-Verlag, New York, 1992).
H. Goldstein, Classical Mechanics (Addison-Wesley Publishing Co., Reading, MA, 1980).
D. J. Nesbitt, R. W. Field, J. Phys. Chem. 100, 12735 (1996).
D. J. Tannor, S. A. Rice, J. Chem. Phys. 83, 5013 (1985).
D. J. Tannor, R. Kosloff, S. A. Rice, J. Chem. Phys. 85, 8505–8520 (1986).
E. J. Heller, J. Chem. Phys. 68, 2066 (1978).
A. P. Pierce, M. A. Dahleh, H. Rabitz, Phys. Rev. A 37, 4950 (1988).
S. Shi, H. Rabitz, J. Chem. Phys. 92, 364–376 (1990).
M. Demiralp, H. Rabitz, Phys. Rev. A 47, 809–816 (1993).
M. Demiralp, H. Rabitz, Phys. Rev. A 47, 831–837 (1993).
Y. Yan, R. E. Gillilan, R. M. Whitnell, K. R. Wilson, S. Mukamel, J. Phys. Chem. 97, 2320 (1993).
U. Fano, Rev. Mod. Phys. 29, 74–93 (1957).
J. Cao, M. Messina, K. R. Wilson, J. Chem. Phys. 106, 5239–5248 (1997).
J. L. Krause, R. M. Whitnell, K. R. Wilson, Y. Yan, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 99, 6562 (1993).
K. F. Man, Genetic Algorithms for Control and Signal Processing (Springer-Verlag, Berlin, 1997).
R. L. Haupt, S. E. Haupt, Practical Genetic Algorithms (Wiley, New York, 1998).
C. Brennan, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 107, 9691–9694 (1997).
P. Brumer, M. Shapiro, Scientific American 272, 56 (1995).
N. F. Scherer, A. J. Ruggiero, M. Du, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 93, 856 (1990).
N. F. Scherer, R. J. Carlson, A. Matro, M. Du, A. J. Ruggiero, V. Romero-Rochin, J. A. Cina, G. R. Fleming, S. A. Rice, J. Chem. Phys. 95, 1487 (1991).
N. F. Scherer, A. Matro, M. Du, R. J. Carlson, J. A. Cina, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 96, 4180 (1992).
P. C. M. Planken, M. C. Nuss, I. Brener, K. W. Goossen, M. S. C. Luo, L. Chuang, L. Pfeiffer, Phys. Rev. Lett. 69, 3800 (1992).
P. C. M. Planken, I. Brener, M. C. Nuss, M. S. C. Luo, S. L. Chuang, Phys. Rev. B 48, 4903 (1993).
I. Brener, P. C. M. Planken, M. C. Nuss, M. S. C. Luo, S. L. Chuang, L. Pfeiffer, D. E. Leaird, A. M. Weiner, J. Opt. Soc. Am. B 11, 2457–2469 (1994).
M. S. C. Luo, S. L. Chuang, P. C. M. Planken, I. Brener, H. G. Roskos, M. C. Nuss, IEEE J. Quantum Electron. 30, 1478 (1994).
P. C. M. Planken, I. Brener, M. C. Nuss, M. S. C. Luo, S. L. Chuang, L. N. Pfeiffer, Phys. Rev. B 49, 4668 (1994).
M. C. Nuss, P. C. M. Planken, I. Brener, H. G. Roskos, M. S. C. Luo, S. L. Chuang, Appl. Phys. B 58, 249–259 (1994).
M. S. C. Luo, S. L. Chuang, P. C. M. Planken, I. Brener, M. C. Nus, Phys. Rev. B 48, 11043 (1993).
P. Brumer, M. Shapiro, Chem. Phys. 139, 221 (1989).
A. M. Weiner, D. E. Leaird, G. P. Wiederrecht, K. A. Nelson, Science 247, 1317 (1990).
R. Kosloff, A. D. Hammerich, D. Tannor, Phys. Rev. Lett. 69, 2172 (1992).
J. A. Cina, T. J. Smith, J. Chem. Phys. 98, 9211 (1993).
T. J. Smith, J. A. Cina, J. Chem. Phys. 104, 1272 (1996).
E. Hiller, J. A. Cina, J. Chem. Phys. 105, 3419 (1996).
G. P. Wiederrecht, T. P. Dougherty, L. Dhar, K. A. Nelson, D. E. Leaird, A. M. Weiner, Phys. Rev. B 51, 916 (1995).
I. Brener, P. C. M. Planken, M. C. Nuss, L. Pfeiffer, D. E. Leaird, A. M. Weiner, Appl. Phys. Lett. 63, 2213 (1993).
M. M. Wefers, H. Kawashima, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 102, 9133–9136 (1995).
B. Kohler, V. V. Yakovlev, J. Che, J. L. Krause, M. Messina, K. R. Wilson, N. Schwentner, R. M. Whitnell, Y. Yan, Phys. Rev. Lett. 74, 3360 (1995).
R. Trebino, D. J. Kane, J. Opt. Soc. Am. A 10, 1101 (1993).
C. J. Bardeen, J. Che, K. R. Wilson, V. V. Yakovlev, P. Cong, B. Kohler, J. L. Krause, M. Messina, J. Phys. Chem. A 101, 3815 (1997).
A. Assion, T. Baumert, J. Helbing, V. Seyfried, G. Gerber, Chem. Phys. Lett. 259, 488 (1996).
J. M. Pananikolas, R. M. Williams, S. R. Leone, J. Chem. Phys. 107, 4172 (1997).
C. J. Bardeen, Q. Wang, C. V. Shank, Phys. Rev. Lett. 75, 3410 (1995).
Y. V. Yakovlev, C. J. Bardeen, J. Che, J. Cao, K. R. Wilson, J. Chem. Phys. 108, 2309–2313 (1998).
C. J. Bardeen, V. V. Yakovlev, K. R. Wilson, S. D. Carpenter, P. M. Weber, W. S. Warren, Chem. Phys. Lett. 280, 151–158 (1997).
J. L. Krause, D. H. Reitze, G. D. Sanders, A. V. Kuznetsov, C. J. Stanton, Phys. Rev. B 57, 9024 (1998).
Author information
Authors and Affiliations
Editor information
Editors and Affiliations
Rights and permissions
Copyright information
© 2002 Kluwer Academic Publishers
About this chapter
Cite this chapter
Crimmins, T.F., Koehl, R.M., Nelson, K.A. (2002). Ultrafast Optical Spectroscopy and Optical Control. In: Di Bartolo, B., Gambarota, G. (eds) Ultrafast Dynamics of Quantum Systems. NATO Science Series: B:, vol 372. Springer, Boston, MA. https://doi.org/10.1007/0-306-47080-2_13
Download citation
DOI: https://doi.org/10.1007/0-306-47080-2_13
Publisher Name: Springer, Boston, MA
Print ISBN: 978-0-306-45929-0
Online ISBN: 978-0-306-47080-6
eBook Packages: Springer Book Archive