Способ оптического управления поляризацией света Советский патент 1985 года по МПК G02F1/37 G02F1/01 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и оптическим методам измерений и может быть использовано в системах передачи и обработки информации, а также при проведении научно-исследовательских работ с применением оптических методов исследования.

Цель изобретения - расширение диапазона длин волн и типов поляризации управляемого пучка, расширение видов характеристик управляющего пучка.

На фиг. 1 и 2 показаны возможные схемы изменения направления линейной поляризации управляемого пучка путем изменения характера поляризации управляющего; на фиг. 3 и 4 - возможные схемы управления поляризацией света путем изменения направления распространения управляющего; на фиг. 5 и б - возможные схемы управления поляризацией пучка путем одновременного изменения длины волны, интенсивности, поляризации и направления распространения управляющего пучка.

На схемах показаны: 1 управляемый пучок, 2 управляющий пучок, 3 управляющий элемент, 4 исходный вид поляризации основного пучка, 5 вид поляризации управляемого пучка после управляющего элемента 6 исходный вид поляризации управляющего пучка (или измененный).

Управление поляризацией в способе осуществляется следующим образом.

Управляемый световой пучок пропускают через управляющий элемент, содержащий переориентирующиеся центры, например, типа ООО). Подобного рода центры в кубической кристаллической решетке имеют три оптически неэквивалентные ориентации. Их спектр характеризуется двумя полосами поглощения, одна из которых (невырожденная) связана с электронным переходом, дипольный момент которого ориентирован вдоль оси центра, а другая (дважды вырожденная) - с электронным переходом, дипольный момент которого перпендикулярен оси центра.

При частоте света, отвечающей одной из полос поглощения, происходит переход центров в возбужденное состояние. При этом вероятность переориентации возрастает на несколько порядков и может достигать значения 2/3, в отличие от вероятности туннелирования центров по основному состоянию, которая пренебрежимо мала из-за наличия в этом состоянии потенциального барьера порядка 2 эВ. Световой пучок, отвечающий например, невырожденной полосе поглощения, направляют вдоль одного из кристаллографических направлений. В случае, например, неполяризованного излучения происходит возбуждение центров, ориентированных перпендикулярно направлению распространения света, и переход их в третью, непоглощающую ориентацию. В результате поглощение светового пучка становится небольшим, однако его поляризационные свойства не изменяются.

Для осуществления изменения вида поляризации управляемого пучка необходимо перевести центры преимущественно в ориентацию, поглощающую управляемое излучение заданной поляризации. Это достигается освещением кристалла дополнительным световым пучком с длиной волны, попадающей, например, в ту же невырожденную полосу

0 поглощения. При таком дополнительном освещении также происходит возбуждение и переориентация центров. Выбором направления распространения вспомогательного . пучка относительно управляемого, его интенсивности, поляризации, длины волны можно реализовать распределение поглощающих центров по ориентациям, необходимое для получения на выходе из кристалла требуемого характера поляризации управляемого пучка.

0 На фиг. 1 и 2 представлена возможная схема реализации способа, при которой осуществляется изменение направления линейной поляризации управляемого пучка путем изменения характера поляризации управляющего пучка. Управляемый пучок 1, длина волны которого соответствует невырожденной полосе поглощения О00 - центров, линейно поляризованный таким образом, что его Е-вектор, например, лежит под углом 45° к осям X и Z в плоскостях xoz, пропускают через управляющий элемент 3 вдоль оси у. Это обуславливает одинаковое опустошение х- и z-ориентаций за счет перевода их в уориентацию. В результате происходит просветление кристалла для управляемого пучка без изменения характера его поляризации

.. на выходе. Управляющий пучок 2 той же длины волны направляется вдоль оси х. В начальный момент времени (фиг. 1) его поляризация выбирается линейной так, что Е-вектор ориентирован параллельно оси у. Под действием управляющего пучка происходит обратный переход центров из у-ориентации в х- и z-ориентации, что приводит к изменению интенсивности управляемого : ка на выходе из управляющего элемента 3, но не изменяет его поляризацию. Изменяя поляризацию управляющего пучка

с линейной на циркулярную (фиг. 2), получают уменьщение заселенности z-ориентации по сравнению с х-ориентацией, поскольку циркулярно поляризованный управляющий пучок будет возбуждать центры в у- и zQ ориентациях. Б результате х- и z-проекции Е-вектора управляемого пучка будут поглощаться по-разному, а именно х-проекция будет поглощаться сильнее. Поэтому поляризация управляемого пучка на выходе из управляющего элемента 3 изменится: Е-век5 тор повернется по направлению к оси z. Величина угла поворота Е-вектора будет зависеть от соотношения интенсивностей управляемого и управляющего пучков.

На фиг. 3 и 4 представлена возможная схема управления поляризацией управляемого светового пучка изменением направления распространения управляющего. Управляемый пучок 1, длина волны которого соответствует невырожденной полосе поглощения СЮО центров, линейно поляризованный таким образом, что его Е-вектор лежит под

углом 45° к осям Х и Z в плоскости XOZ,

пропускают через управляющий элемент 3 вдоль оси у. Как и в предыдущем случае происходит просветление кристалла без изменения поляризации.

Управляющий пучок имеет циркулярную (или естественную) поляризацию, его длина волны соответствует невырожденной полосе. В начальный момент времени (фиг. 3) управляющий пучок распространяется также вдоль оси у. Он также одинаково возбуждает центры в х- и z-ориентациях, поэтому ориентация Е-вектора управляемого пучка при включении управляющего остается неизменной.

Изменяя направление распространения управляющего пучка (фиг. 4) так, чтобы он распространялся вдоль оси х, добиваются неодинакового возбуждения центров в хи z-ориентациях, что приводит к изменению ориентации Е-вектора управляемого пучка после элемента 3 - происходит поворот Е-вектора по направлению к оси г. Величина угла поворота зависит от соотнощения интенсивностей пучков 1 и 2.

На фиг. 5 и 6 представлена возможная схема реализации способа управления поляризацией управляемого светового пучка путем одновременного изменения длины волны, интенсивности, поляризации, и направ ления распространения управляющего пучка. На управляющий элемент 3 направляется, например, циркулярно поляризованный (или естественно поляризованный) управляемый пучок 1, длина волны которого соответствует невырожденной полосе поглощения 100 центров, а направление распространения совпадает с осью у. Под действием управляемого пучка возбуждаются центры в хи z-ориентациях, происходит переход центров в у-ориентацию и просветление кристалла для управляемого пучка. Поляризация пучка 1 после элемента 3 та же, что и до него.

В начальный момент времени (фиг. 5) управляющий циркулярно поляризованный пучок направляют вдоль оси у, длина волны его соответствует невырожденной полосе. Под влиянием такого пучка относительные заселенности х- и у-ориентации не изменяются, поэтому не изменится и поляризация пучка 1 после кристалла 3.

Затем изменяют характеристики управляющего пучка. Направляют линейно поляризованный вдоль оси Z пучок 2 по оси X. причем длину волны его выбирают так, чтобы с она соответствовала другой, вырожденной полосе поглощения 100 центров. Такой управляющий пучок будет возбуждать центры в х- и у-ориентациях и переводить их в zориентацию. Под воздействием управляющего пучка нарущается равенство х и z засе0 ленностей, следовательно, после управляющего элемента 3 циркулярная поляризация управляемого пучка превратится в эллиптическую, причем большая ось эллипса будет расположена вдоль оси х. Степень эллиптичности зависит от соотнощения интенсивностей пучков 1 и 2.

Пример. Способ был реализован при использовании в качестве управляющего элемента кристалла KCI, содержащего FA(Li) центры. Рабочий температурный диапазон

0 этих центров лежит ниже 180 К, поэтому использовался оптический азотный криостат. Источниками естественно поляризованных управляемого и перпендикулярного ему управляющего пучков служили лампочки накаливания. Спектральный интервал, отвечающий максимуму невырожденной полосы (630 нм), выделялся интерференционными светофильтрами. Поляризация выщедщего из кристалла управляемого светового пучка анализировалась призмой Глана-Томсона, после которой луч направлялся на фотоумножитель ФЭУ-79, сигнал с которого поступал на усилитель ИПФ-2Л и регистрировался самопищущим потенциометром КСП-4. Исследовалось состояние поляризации управляемого пучка на выходе из кристалла

в зависимости от направления распространения управляющего. Управляемый пучок распространялся вдоль оси у. В начальный момент времени управляющий пучок распространялся вдоль оси X, что приводило к частичной линеаризации управляемого

0 пучка в направлении оси z. Затем управляющий пучок направляли вдоль оси z, что приводило к частичной линеаризации управляемого пучка в направлении оси х. В обоих случаях при соотнощении интенсивностей управляемого и управляющего пучков 1:3

5 была реализована 90%-ная степень поляризации основного.

При таком же соотнощении интенсивностей световых пучков изменение угла между направлениями распространения пучков от

Q 90 до 45° привело к уменьщению степени поляризации до 27%. При угле между ними, равном 45°, выравнивание интенсивностей пучков уменьи1ало степень поляризации до

X

-«.-f

1. СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЯРИЗАЦИЕЙ СВЕТА, включающий одновременное пропускание управляемого и управляющего световых пучков через управляющий элемент и измеФигЛ нение характеристик управляющего пучка, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона длин волн и типов поляризации управляемого пучка, расширения видов .характеристик управляющего пучка, управляемый и управляющий пучки пропускают через управляющий элемент, выполненный в виде кристалла с переориентирующимися центрами, длины волн полос поглощения которых соответствуют длинам волн управляемого и управляющего пучков. 2.Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменяют тип поляризации управляющего пучка. 3.Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменяют направление распространения управляющего пучка.i 4.Способ по п. 1, отличающийся тем, что изменяют одновременно длину волны, интенсивность, тип поляризации и направление распространения управляющего пучка.

Фиг. 2

11

/

/

Л

ty. 3

игл

J

фиг. 6