Способ преобразования когерентных световых пучков Советский патент 1986 года по МПК G03H1/00 H01S3/10 

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в голографии в устройствах оптической памяти и переработки информации, в оптоэлектронике для преобразования когерентных световых пучков. Известны способы динамического пр образования световых пучков, заключа ющиеся в помещении нелинейного материала в области пересечения двух когерентных преобразуемых пзгчков. При воздействии на нелинейный материал интерференционного поля взаимодействующих пучков в нем записьюается динамическая голографическая решетка, и преобразование пзгчков является результатом их дифракции на этой решетке. Необходимым условием преобразования интенсивноетей взаимодействующих пучков является пространственное рассогласование, записываемой решет-ки относительно интерференционного поля. Оптимальное рассогласование составляет четверть пространственного периода решетки. Известны способы преобразования с использованием нелинейных сред, которые обеспеч:ивают требуемое рассогласование автоматически, вследствие , специфики механизма записи, К ним относятся способы преобразования с использованием сегнетоэлектрических и полупроводниковых кристаллов с линейным электрооптическим эффектом. Однако большинство регистрирующих сред в динамической гологра фии имеет локальный отклик, записьша емые решетки в них совпадают по фазе с интерференционным полем, и стационарное преобразование интенсивностей взаимодействующих пучков в них невоз можно , Известны способы преобразования, которые позволяют получить требуемое пространственное рассогласование для ряда частных случаев за счет различных внешних воздействий. Так, среды, нелинейность которых связана с фотогенерацией заряженных частиц, помеща ют во внешнее электрическое или скрещенные электрическое и магнитное поля. Среды со сравнительно медленной релаксацией нелинейности, например растворы красителей, переме щают в процессе воздействия преобразуемьтх пучков с определенной скоростью. Все эти способы не являются 522 универсальными и требуют специальных дополнительных устройств(источников питания, механизмов перемещения) и приемов (ориентация векторов напряженности воздействующих полей или направления движения среды по отношению к направлению схождения пучков) для их осуществления. Наиболее универсальным способом преобразования световых пучков является способ преобразования когерентных световых пучков путем сведения их в нелинейной среде с локальным откликом, время релаксации нелинейндсти которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излучения и формирования голограммы, В этом способе на нелинейную среду направляют пучки с резко отличающимися интенсивностями В результате самовоздействия пучков в процессе записи голограммы разность их фаз на выходе из голограммы изменяется от нуля до некоторого конечного значения, что приводит к искривлению (наклону) интерференционного поля в объеме нелинейного материала. Вследствие инерционности реальных процессов нелинейности голографическая решетка не сразу догоняет уходящее интерференционное поле и существует некоторый период времени, в течение которого решетка и интерференционное поле рассогласованы и возможен энергообмен. Нестационарный энергообмен по этому способу реализован на всех известных классах нелинейных материалов, В ряде случаев он обеспечивает исключительно сильный энергообмен, при котором интенсивность слабого акцепторного пучка увеличивается в за счет полной перекачки энергии донорного пучка Однако и данный способ имеет свои ограничения, Так в нем энергообмен определяется разностью интенсивностей взаимодействующих пучков и становится невозможным при равенстве их интенсивностей. Направление перекачки энергии не зависит от знака коэффициента нелинейности иосугцествляется всегда только от сильного пучка к слабому. Вследствие этого суммирование интенсивностей нескольких слабых пучков в один сильный за счет последовательного применения данного способа не всегда возможно . Цель изобретения - обеспечение энергообмена .пучков с.равными и от слабой к сильной интенсивностями. . Цель достигается тем, что в способе преобразования когерентных све товых пучков, заключающемся в сведе нии их в нелинейной среде с локальным откликом, время релаксации нели нейности которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излучения, и формирования голограммы, углы падения взаимо действующих пзгчков на нелинейнзто ср ду выбирают неравными друг другу,, причем используют нелинейную среду, с показателем преломления, изменяющимся на низких пространственных частота.х. Дпя получеиия максимального энер гообмена между преобразуемыми пучками один из них направляют по нормали к поверхности нелинейной среды На фиг. показаны ход лзгчей преобразуемых пучков и структура их интерференционного поля для йачального этапа записи (пунктир) и стационарно го состояния (сплошные линии); на фиг,2 - схема рассматриваемого взаиг модействия в пространстве волновьк векторов, где k, и kg - волновые векторы взаимодействующих пучков, k - волновой вектор записьшаемой решетки Индексы о и ст указьшают на начальный этап записи и стационарное состояние соответственно, Для упрощения изображения полагается , что пучки входят в нелинейную среду из среды с таким же показателем преломления м. Пусть на плоскопараллельный слой нелинейной среды падают две когерентные световые волны 1,2 с интенсивностями 3, и 2 и волновыми векторами k, и k , как показано на фиг.1 и 2. Распределение интенсивности в интерференционном поле этих пучков в среде представляет собой : , i(rbi,4.2.iT;i;co5(k,F)., (1) где К k, - k-j - волновой вектор решетки. Пусть далее показатель преломления нелинейной среды есть постоянная м плюс часть йп , линейно и локально зависящая от интенсивности света T() (l,r1 n + oi.Ur) (2) Подставляя выражение (1) в выражение (2, получим, что при воздействии интерференционным полем на среду с откликом (2) помимо появления периодической модуляции показателя преломления (т.е. фазовой голографической решетки). Лп(гЬ 2вбл11,12 cos (t.f)., происходит также изменение среднего показателя преломления . (.n°n4ot,(l,+ Ij). (4) Это изменение приведет к тому, что по закону Снеллиуса изменится угол преломления для каждого из преобразуемых (т.е, направление волновых векторов обоих пучков в среде). Кроме того, изменится модуль волновых векторов в среде (на фиг.2 они будут оканчиваться на окружности с радиусом h) . В результате изменятся направление и абсолютная величина вектора решетки К°- К, что соответствует изменению периода и угла наклона интерференционных полос по отношению к поверхности нелинейного слоя. Таким образом, за время порядка времени релаксации нелинейной Среды происходит изменение пространственного положения интерференционной картины от положения, определяемого исходным показателем преломления h (штрихи на фиг.1 и 2), до положения, определяемого стационарным значением h R°+ АП° (сплошные линии на фиг„1. и 2). В течение всего этого времени в силу инерции нелинейности решетка изменения показателя преломления будет отставать от интерференционного поля, т.е, будет выполнено необходимое условие энергообмена. Если время релаксации нелинейности среды окажется значительно меньше, чем длительность импульсов преобразуемого излучения, установится стационарное состояние, при котором голографическая решетка догонит интерференционное поле и вновь, как и в начальный момент записи, совпадет с ним в пространстве. При этом энергообмен полностью исчезнет, т.е, интегральная эффективность преобразования по всей длительности импульса уменьшается. 510 Оценим теперь величину эффекта в сравнении с прототипом. Как в том, так и Б другом случаях эффективность преобразования определяется двумя факторами: дифракционной эффективностью динамической решетки, которая однозначно связана с величиной модул ции показателя преломления, а также предельным углом фазового рассогласо вания между решеткой и интерференцио ной картиной. Полагая, что запись решетки проис ходит в одной и той же среде излучением с одинаковой мощностью, получим, что дифракционные э(ективности записьшаемых решёток близки. Пре дельное изменение разности фаз в слу чае прототипа определяется выражением p.. j 40050 И -1г/1.) где 2 - толщина нелинейного материала;6 - половинный угол схождения преобразуемых пучков в среде Максимально 9 при J, соста (P-lSirinE/ coee) (6) Расчет предельной разности фаз дл для схемы, приведенной на фиг,1, дает ..Щ 1-4-- (7) 1 Ч,- co5CfiJ Максимально возможная разность фа возникает в случае нормального падения одного из пучков на нелинейный материал, ( О, gJMig / TV , Сопоставление выражений (6 и 8j показьюает, что для углов распространения If, от 10 до 45 предлагаемый способ обеспечивает близкое к прототипу фазовое рассогласование, а следовательно, совпадающую по порядку величин эффективность преобразования. При Cj, 45 числовой коэффициент в круглых скобках в выражении (8) 26 становится больше 1 и эффективность преобразования по схеме фиг.1 превышает эффективность преобразования по способу-прототипу. Как видно из выражения (8), прег дельная разность фаз зависит от интенсивности света только через &h (см, выражение (3)) . но не зависит в отличие от способа-прототипа} от отношения интенсивностей преобразуемых пучков. Таким образом, в соответствии с поставленной целью возможно осуществление перекачки энергии между пучками равной интенсивности, а также от пучка с малой интенсивностью к пучку с большой интенсивностью, т,е, функциональные возможности способа шире, чем у способа-прототипа. Направление перекачки энергии определяется знаком фазового рассогласования, т,е, .зависит от знака изменения показателя преломления среды и соотношения углов падения пучков на среду. Как следует из выражения (З), фазовое рассогласование, а вместе с ним и возможность преобразования, исчезают при .± Рг при симметричном падении пучков на нелинейную среду, а такжу при близости углов падения пучков на среду. Соотношение (8) вьгаедено в предположении, что среда, обладает локальным откликом, задаваемым выражением (4), Отметим, что в способе-прототипе необходимым условием является отличие от нуля только переменной части лп (г) 0, в то время как для реализации способа по изобретению требуется дополнительно изменение среднего показателя преломления , Поскольку существуют среды с локальным откликом, в которых пространственная модуляция может происходить без изменения среднего значения показателя преломления, это условие также является необходимым условием осуществления способа. Способ преобразования может быть успешно использован со всеми классами нелинейных материалов дпя преобразования световых импульсов соответствующей длительности.

1. СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ,путем сведения их в нелинейной среде с локальным откликом, врвия релаксации нелинейности которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излзгчения и формирования голограммы, отличающийся тем, что, с целью обеспечения энергообмена пучков с равными и от слабой к сильной иитенсивностями, углы падения упомянутых пучков на нелинейную среду выбирают неравными друг другу и используют нелинейную среду с показателем преломлег ния, изменяющимся на низких простСО ранственных частотах. 2, Способ по п. ,отличающ и и с я тем, что, с целью получения максимального энергообмена межс с ду преобразуемыми пучками, один из йих направляется по нормали к поверхности нелинейной среды.