Skip to main content

Ultrafast Optical Spectroscopy and Optical Control

  • Chapter
Ultrafast Dynamics of Quantum Systems

Part of the book series: NATO Science Series: B: ((NSSB,volume 372))

  • 425 Accesses

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.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this chapter

Chapter
USD 29.95
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
eBook
USD 39.99
Price excludes VAT (USA)
  • Available as PDF
  • Read on any device
  • Instant download
  • Own it forever
Softcover Book
USD 54.99
Price excludes VAT (USA)
  • Compact, lightweight edition
  • Dispatched in 3 to 5 business days
  • Free shipping worldwide - see info

Tax calculation will be finalised at checkout

Purchases are for personal use only

Institutional subscriptions

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. M. M. Wefers, K. A. Nelson, Opt. Lett. 18, 2032 (1993).

    ADS  Google Scholar 

  2. A. M. Weiner, J. P. Heritage, E. M. Kirschner, J. Opt. Soc. Am. B 5, 1563 (1988).

    ADS  Google Scholar 

  3. C. W. Hillegas, J. X. Tull, D. Goswami, D. Strickland, W. S. Warren, Opt. Lett. 19, 737 (1994).

    ADS  Google Scholar 

  4. E. J. Heller, J. Chem. Phys. 68, 2066–2076 (1978).

    ADS  Google Scholar 

  5. E. J. Heller, R. L. Sundberg, D. Tannor, J. Phys. Chem. 86, 1822–1833 (1982).

    Google Scholar 

  6. E. J. Heller, Acc. Chem. Res. 14, 368–375 (1981).

    ADS  Google Scholar 

  7. S.-Y. Lee, E. J. Heller, J. Chem. Phys. 71, 4777–4788 (1979).

    ADS  Google Scholar 

  8. L. Dhar, J. A. Rogers, K. A. Nelson, Chem. Rev. 94, 157 (1994).

    Article  Google Scholar 

  9. A. Yariv, Quantum Electronics (John Wiley & Sons, New York, 1989).

    Google Scholar 

  10. Y. R. Shen, Principles of Nonlinear Optics (Wiley, 1984).

    Google Scholar 

  11. A. A. Maznev, T. F. Crimmins, K. A. Nelson, accepted, Opt. Lett. (1998).

    Google Scholar 

  12. W. Struve, Fundamentals of Molecular Spectroscopy (John Wiley & Sons, New York, 1989).

    Google Scholar 

  13. L. Dhar, J. A. Rogers, K. A. Nelson, Chem. Rev. 94, 157–193 (1994).

    Article  Google Scholar 

  14. T. J. Smith, L. W. Ungar, J. A. Cina, J. Luminescence 58, 66–73 (1994).

    ADS  Google Scholar 

  15. V. Romero-Rochin, J. Cina, Phys. Rev. A 50, 763–778 (1994).

    ADS  Google Scholar 

  16. S. Mukamel, Principles of Nonlinear Optical Spectroscopy (The Clarendon Press, Oxford, 1995).

    Google Scholar 

  17. W. T. Pollard, S.-Y. Lee, R. A. Mathies, J. Chem. Phys. 92, 4012–4029 (1990).

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. J. Chesnoy, A. Mokhtari, Rev. Phys. Appl. 22, 1743–171747 (1987).

    Google Scholar 

  19. R. Y. Chiao, C. H. Townes, B. P. Stoicheff, Phys. Rev. Lett. 12, 592 (1964).

    ADS  Google Scholar 

  20. 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).

    ADS  Google Scholar 

  21. D. H. Auston, Appl. Phys. Lett. 43, 713–715 (1983).

    ADS  Google Scholar 

  22. D. H. Auston, K. P. Cheung, J. A. Valdmanis, D. A. Kleinman, Phys. Rev. Lett. 53, 1555–1558 (1984).

    Article  ADS  Google Scholar 

  23. D. H. Auston, M. C. Nuss, IEEE J. Quantum Electron. 24, 184–197 (1988).

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. D. A. Kleinman, D. H. Auston, IEEE J. Quantum Electron. QE-20, 964–970 (1984).

    ADS  Google Scholar 

  25. R. M. Koehl, S. Adachi, K. A. Nelson, submitted, J. Chem. Phys. (1998).

    Google Scholar 

  26. T. P. Dougherty, G. P. Wiederrecht, K. A. Nelson, M. H. Garrett, H. P. Jensen, C. Warde, Science 258, 770 (1992).

    ADS  Google Scholar 

  27. S. Ruhman, A. G. Joly, B. Kohler, L. R. Williams, K. A. Nelson, Rev. Phys. Appl. 22, 1717–1734 (1987).

    Google Scholar 

  28. S. Ruhman, A. G. Joly, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 86, 6563 (1987).

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. S. Ruhman, B. Kohler, A. G. Joly, K. A. Nelson, IEEE J. Quantum Electronics 24, 470–481 (1988).

    ADS  Google Scholar 

  30. S. Ruhman, L. R. Williams, A. G. Joly, B. Kohler, K. A. Nelson, J. Phys. Chem. 91, 2237–2240 (1987).

    Article  Google Scholar 

  31. S. Ruhman, B. Kohler, A. G. Joly, K. A. Nelson, Chem. Phys. Lett. 141, 16–24 (1987).

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. C. H. Lin, J. P. Heritage, T. K. Gustafson, R. Y. Chiao, J. P. McTague, Phys. Rev. A 13, 813 (1976).

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. N. F. Scherer, D. F. Jonas, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 99, 153 (1993).

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. L.-T. Cheng, K. A. Nelson, Phys. Rev. B 37, 3603–3610 (1988).

    ADS  Google Scholar 

  35. S. M. Silence, S. R. Goates, K. A. Nelson, Chem. Phys. 149, 233–259 (1990).

    Article  Google Scholar 

  36. M. J. Banet, M. Fuchs, J. A. Rogers, R. Logan, A. A. Maznev, K. A. Nelson, Appl. Phys. Lett. (1998).

    Google Scholar 

  37. Y. Yang, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 103, 7732–7739 (1995).

    ADS  Google Scholar 

  38. Y. Yang, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 103, 7722–7731 (1995).

    ADS  Google Scholar 

  39. Y. Yang. K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 104, 1–8 (1996).

    Google Scholar 

  40. A. R. Duggal, J. A. Rogers, K. A. Nelson, M. Rothschild, Appl. Phys. Lett. 60, 692–694 (1992).

    Article  ADS  Google Scholar 

  41. T. F. Crimmins, A. A. Maznev, K. A. Nelson, submitted, Appl. Phys. Lett. (1998).

    Google Scholar 

  42. C. Thomsen, H. T. Grahn, H. J. Mans, J. Tauc, Phys. Rev. B 34, 4129–4138 (1986).

    ADS  Google Scholar 

  43. H. T. Grahn, H. J. Maris, J. Tauc, IEEE J. Quantum Electron. 25, 2562–2568 (1989).

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. M. J. Rosker, F. W. Wise, C. L. Tang, Phys. Rev. Lett. 57, 321–324 (1986).

    Article  ADS  Google Scholar 

  45. M. J. Rosker, M. Dantus, A. H. Zewail, J. Chem. Phys. 89, 6113–6127 (1988).

    Article  ADS  Google Scholar 

  46. K. A. Nelson, L. R. William, Phys. Rev. Lett. 58, 745 (1987).

    Article  ADS  Google Scholar 

  47. J. Chesnoy, A. Mokhtari, Phys. Rev. A 38, 3566–3576 (1988).

    Article  ADS  Google Scholar 

  48. M. Dantus, R. M. Bowman, A. H. Zewail, Nature 343, 737–739 (1990).

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. M. Cho, J.-Y. Yu, T. Joo, Y. Nagasawa, S. Passino, G. R. Fleming, J. Phys. Chem. 100, 11944 (1995).

    Google Scholar 

  50. T. Joo, W. Jia, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 102, 4065 (1995).

    ADS  Google Scholar 

  51. R. Zadoyan, Z. Li, C. C. Martens, V. A. Apkarian, J. Chem. Phys. 101, 6648–6657 (1994).

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. M. H. Vos, F. Rappaport, J. C. Lambry, J. Breton, J.-L. Martin, Nature 363, 320–325 (1993).

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. Q. Wang, R. W. Schoenlein, L. A. Peteanu, R. A. Mathies, C. V. Shank, Science 266, 422–424 (1994).

    ADS  Google Scholar 

  54. L. Genberg, L. Richard, G. McLendon, R. J. D. Miller, Science 251, 1051–1054 (1991).

    ADS  Google Scholar 

  55. 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).

    Article  ADS  Google Scholar 

  56. T. K. Cheng, J. Vidal, H. J. Zeiger, G. Dresselhaus, M. S. Cresselhaus, E. P. Ippen, Appl. Phys. Lett. 59, 1923–1925 (1991).

    ADS  Google Scholar 

  57. 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).

    ADS  Google Scholar 

  58. H. J. Zeiger, T. K. Cheng, E. P. Ippen, J. Vidal, G. Dresselhaus, M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 54, 105–123 (1996).

    Article  ADS  Google Scholar 

  59. S. Hunsche, K. Wienecke, T. Dekorsy, H. Kurz, Phys. Rev. Lett. 75, 1815–1818 (1995).

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. S. Hunsche, H. Kurz, Appl. Phys. A 65, 221–229 (1997).

    Article  ADS  Google Scholar 

  61. G. C. Cho, W. Kütt, H. Kurz, Phys. Rev. Lett. 65, 764–766 (1990).

    Article  ADS  Google Scholar 

  62. J. M. Chwalek, C. Uher, J. F. Whitaker, G. A. Mourou, J. Agostinelli, M. Lelental, Appl. Phys. Lett. 57, 1696–1698 (1990).

    Article  ADS  Google Scholar 

  63. W. Albrecht, T. Kruse, H. Kurz, Phys. Rev. Lett. 69, 1451–1454 (1992).

    ADS  Google Scholar 

  64. 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).

    ADS  Google Scholar 

  65. M. Haner, W. S. Warren, Appl. Phys. Lett. 52, 1458 (1988).

    Article  ADS  Google Scholar 

  66. M. M. Wefers, K. A. Nelson, J. Opt. Soc. Am. B 12, 1343–1362 (1995).

    ADS  Google Scholar 

  67. M. M. Wefers, K. A. Nelson, IEEE J. Quantum Electron. 32, 161–172 (1996).

    Article  ADS  Google Scholar 

  68. J. P. Heritage, A. M. Weiner, R. N. Thurston, Opt. Lett. 10, 609 (1985).

    ADS  Google Scholar 

  69. R. N. Thurston, J. P. Heritage, A. M. Weiner, W. J. Tomlinson, IEEE J. Quantum Electron. QE-22, 682–696 (1986).

    ADS  Google Scholar 

  70. O. E. Martinez, IEEE J. Quantum Electron. QE-23, 59 (1987).

    ADS  Google Scholar 

  71. O. E. Martinez, J. Opt. Soc. Am. B 3, 929–934 (1986).

    ADS  Google Scholar 

  72. A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel, J. R. Wullert, Opt. Lett. 15, 326 (1990).

    ADS  Google Scholar 

  73. A. M. Weiner, D. E. Leaird, J. S. Patel, J. R. Wullert, IEEE J. Quantum Electron. 28, 908–920 (1992).

    ADS  Google Scholar 

  74. M. M. Wefers, K. A. Nelson, Opt. Lett. 20, 1047 (1995).

    ADS  Google Scholar 

  75. C. H. Gooch, H. A. Tarry, J. Phys. D 8, 1575 (1975).

    Article  ADS  Google Scholar 

  76. M. M. Wefers, K. A. Nelson, A. M. Weiner, Opt. Lett. 21, 746 (1996).

    ADS  Google Scholar 

  77. M. C. Nuss, R. L. Morrison, Opt. Lett. 20, 740–742 (1995).

    ADS  Google Scholar 

  78. R. M. Koehl, T. Hattori, K. A. Nelson, to be published.

    Google Scholar 

  79. W. S. Warren, H. Rabitz, M. Dahleh, Science 259, 1581 (1993).

    ADS  MathSciNet  Google Scholar 

  80. H. Kawashima, M. M. Wefers, K. A. Nelson, Ann. Rev. Phys. Chem. 46, 627 (1995).

    Article  ADS  Google Scholar 

  81. 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).

    Article  Google Scholar 

  82. N. Bloembergen, A. H. Zewail, J. Phys. Chem. 88, 5459 (1984).

    Article  Google Scholar 

  83. A. E. Bryson Jr., Y.-C. Ho, Applied Optimal Control (Hemisphere Publishing Corp., Washington, 1975).

    Google Scholar 

  84. I. M. Gelfand, S. V. Fomin, Calculus of Variations (Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, N. J., 1963).

    Google Scholar 

  85. A. J. Lichtenberg, M. A. Lieberman, Regular and Chaotic Dynamics (Springer-Verlag, New York, 1992).

    MATH  Google Scholar 

  86. H. Goldstein, Classical Mechanics (Addison-Wesley Publishing Co., Reading, MA, 1980).

    MATH  Google Scholar 

  87. D. J. Nesbitt, R. W. Field, J. Phys. Chem. 100, 12735 (1996).

    Article  Google Scholar 

  88. D. J. Tannor, S. A. Rice, J. Chem. Phys. 83, 5013 (1985).

    ADS  Google Scholar 

  89. D. J. Tannor, R. Kosloff, S. A. Rice, J. Chem. Phys. 85, 8505–8520 (1986).

    Article  Google Scholar 

  90. E. J. Heller, J. Chem. Phys. 68, 2066 (1978).

    ADS  Google Scholar 

  91. A. P. Pierce, M. A. Dahleh, H. Rabitz, Phys. Rev. A 37, 4950 (1988).

    ADS  MathSciNet  Google Scholar 

  92. S. Shi, H. Rabitz, J. Chem. Phys. 92, 364–376 (1990).

    ADS  Google Scholar 

  93. M. Demiralp, H. Rabitz, Phys. Rev. A 47, 809–816 (1993).

    ADS  Google Scholar 

  94. M. Demiralp, H. Rabitz, Phys. Rev. A 47, 831–837 (1993).

    ADS  Google Scholar 

  95. Y. Yan, R. E. Gillilan, R. M. Whitnell, K. R. Wilson, S. Mukamel, J. Phys. Chem. 97, 2320 (1993).

    Google Scholar 

  96. U. Fano, Rev. Mod. Phys. 29, 74–93 (1957).

    Article  ADS  MATH  MathSciNet  Google Scholar 

  97. J. Cao, M. Messina, K. R. Wilson, J. Chem. Phys. 106, 5239–5248 (1997).

    ADS  Google Scholar 

  98. J. L. Krause, R. M. Whitnell, K. R. Wilson, Y. Yan, S. Mukamel, J. Chem. Phys. 99, 6562 (1993).

    ADS  Google Scholar 

  99. K. F. Man, Genetic Algorithms for Control and Signal Processing (Springer-Verlag, Berlin, 1997).

    Google Scholar 

  100. R. L. Haupt, S. E. Haupt, Practical Genetic Algorithms (Wiley, New York, 1998).

    MATH  Google Scholar 

  101. C. Brennan, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 107, 9691–9694 (1997).

    Article  ADS  Google Scholar 

  102. P. Brumer, M. Shapiro, Scientific American 272, 56 (1995).

    Google Scholar 

  103. N. F. Scherer, A. J. Ruggiero, M. Du, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 93, 856 (1990).

    Article  ADS  Google Scholar 

  104. 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).

    Article  ADS  Google Scholar 

  105. N. F. Scherer, A. Matro, M. Du, R. J. Carlson, J. A. Cina, G. R. Fleming, J. Chem. Phys. 96, 4180 (1992).

    ADS  Google Scholar 

  106. 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).

    Article  ADS  Google Scholar 

  107. P. C. M. Planken, I. Brener, M. C. Nuss, M. S. C. Luo, S. L. Chuang, Phys. Rev. B 48, 4903 (1993).

    Article  ADS  Google Scholar 

  108. 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).

    ADS  Google Scholar 

  109. 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).

    ADS  Google Scholar 

  110. 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).

    Article  ADS  Google Scholar 

  111. 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).

    Article  ADS  Google Scholar 

  112. M. S. C. Luo, S. L. Chuang, P. C. M. Planken, I. Brener, M. C. Nus, Phys. Rev. B 48, 11043 (1993).

    ADS  Google Scholar 

  113. P. Brumer, M. Shapiro, Chem. Phys. 139, 221 (1989).

    Article  ADS  Google Scholar 

  114. A. M. Weiner, D. E. Leaird, G. P. Wiederrecht, K. A. Nelson, Science 247, 1317 (1990).

    ADS  Google Scholar 

  115. R. Kosloff, A. D. Hammerich, D. Tannor, Phys. Rev. Lett. 69, 2172 (1992).

    Article  ADS  Google Scholar 

  116. J. A. Cina, T. J. Smith, J. Chem. Phys. 98, 9211 (1993).

    Article  ADS  Google Scholar 

  117. T. J. Smith, J. A. Cina, J. Chem. Phys. 104, 1272 (1996).

    ADS  Google Scholar 

  118. E. Hiller, J. A. Cina, J. Chem. Phys. 105, 3419 (1996).

    Article  ADS  Google Scholar 

  119. G. P. Wiederrecht, T. P. Dougherty, L. Dhar, K. A. Nelson, D. E. Leaird, A. M. Weiner, Phys. Rev. B 51, 916 (1995).

    Article  ADS  Google Scholar 

  120. I. Brener, P. C. M. Planken, M. C. Nuss, L. Pfeiffer, D. E. Leaird, A. M. Weiner, Appl. Phys. Lett. 63, 2213 (1993).

    Article  ADS  Google Scholar 

  121. M. M. Wefers, H. Kawashima, K. A. Nelson, J. Chem. Phys. 102, 9133–9136 (1995).

    Article  ADS  Google Scholar 

  122. 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).

    ADS  Google Scholar 

  123. R. Trebino, D. J. Kane, J. Opt. Soc. Am. A 10, 1101 (1993).

    ADS  Google Scholar 

  124. 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).

    Article  Google Scholar 

  125. A. Assion, T. Baumert, J. Helbing, V. Seyfried, G. Gerber, Chem. Phys. Lett. 259, 488 (1996).

    Article  ADS  Google Scholar 

  126. J. M. Pananikolas, R. M. Williams, S. R. Leone, J. Chem. Phys. 107, 4172 (1997).

    ADS  Google Scholar 

  127. C. J. Bardeen, Q. Wang, C. V. Shank, Phys. Rev. Lett. 75, 3410 (1995).

    Article  ADS  Google Scholar 

  128. Y. V. Yakovlev, C. J. Bardeen, J. Che, J. Cao, K. R. Wilson, J. Chem. Phys. 108, 2309–2313 (1998).

    Article  ADS  Google Scholar 

  129. 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).

    ADS  Google Scholar 

  130. J. L. Krause, D. H. Reitze, G. D. Sanders, A. V. Kuznetsov, C. J. Stanton, Phys. Rev. B 57, 9024 (1998).

    ADS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Editor information

Editors and Affiliations

Rights and permissions

Reprints 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

Publish with us

Policies and ethics