Способ создания собственной оптической бистабильности Советский патент 1992 года по МПК G02F3/00 

Изобретение относится к нелинейной оптике и может быть использовано для создания оптических переключателей - основ- ных элементов интегральной оптики и оптоэлектроники.

Известен способ создания собственной оптической бистабильности заключающийся в пропускании лазерного пучка через оптический резонатор, содержащий нелинейную среду, последующем увеличении интенсивности пучка выше порогового значения, при котором изменение показателя преломления непинейной среды вызывает смещение резонансной частоты пропускания резонатора до появления скачка выходной интенсивности пучка, плавном уменьшении интенсивности пучка до появления обратного скачка его интенсивности.

Недостатком известного способа является возможность осуществления биста- бильного режима для узкополосного стабилизированного по частоте излучения

из-за резонансной характеристики резонатора, а также сравнительно невысокое быстродействие и значительные энергетические затраты

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ создания собственной оптической бистабильности, заключающийся втом, что поток лазерного излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности по поперечному сечению направляют в кристалл с фотоэлектрическими свойствами, в котором осуществляется самовоздействие потока лазерного излучения, из модулированного потока формируют обратный поток лазерного излучения, который стирает сзмовоздействие, представляющее объемную голографичскую фоторефрактивную решетку, при превышении пороговой интенсивности

К недостаткам известного способа можно отнести высокие затраты излучения пуч-Ч

О

ю

СА

ка на создание бистабильного режима, низкий контраст переключения за счет дифракции на шумовых решетках и большую инерционность.

Цель изобретения - повышение быстродействия, контраста и уменьшение энергии переключения,

Использование предлагаемого способа позволяет уменьшить затраты излучения на создание бистабильного режима в 10-100 раз по сравнению с прототипом, что связано с использованием нового физического принципа, а именно фотоиндуцированного вращения поляризации света в фотосегне- тоэлектрических кристаллах, происходящего при аномально малых значениях интенсивности света (0,1-10 мВт).

Предлаоемый способ позволяет повысить контраст переключения в 2-3 раза (Л- la- 11/12 (фиг.3)). За счет осуществления селектирования по поляризации лазерного излучения.

Способ дает возможность уменьшить инерционность переключения бистабильного ,,жима (по сравнению с прототипом на порядок), что обусловлено малыми характерными временами (0,1-10 не) фотоинду- цированных явлений, положенных в его основу.

Указанная цель достигается тем, что, согласно способу создания собственной оп тической бистабильности путем направления потока лазерного излучения с гауссовым профилем распределения интенсивности по поперечному сечению в кристалл с фотоэлектрическими свойствами, в котором осуществляется самовоздействие потока лазерного излучения, и формирование из модулированного потока обратного потока лазерного излучения, который стирает самовоздействие при превышении пороговой интенсивности, в качестве исходного потока используют плоскополяризованный поток лазерного излучения, ко- торый вызывает в кристалле фотогальванический и электрогирационный эффекты, из модулированного потока лазерного излучения выделяют составляющую с направлением плоскости поляризации, отличающимся от исходного направления на угол фотоиндуцированного вращения, а обратный поток лазерного излучения расширяют до превышения его поперечным сечением размера области с повышенной концентрацией фотоиндуци- рованных носителей заряда в кристалле, образуемых исходным потоком лазерного излучений.

При прохождении лазерного излучения вдоль оптической оси ряда фотосегнетоэлектрических кристаллов LiNbOa, ЫТаОз, ВаТЮз) происходит поворот поляризации лазерного излучения Величина угла поворота Ф поляризации зависит отинтенсивно- сти 1 лазерного излучения и толщины кристалла I: .

Ф (оф )

О)

где А - коэффициент электрогиргции, к.- коэффициент поглощения; k - константа Гласса; сгф.от фотопроводимость, темповая проводимость,

Данный фотогирационный эффект наблюдается при очень малых значениях интенсивности лазерного излучения ( 0,1-10 мВт) и происходит под действием коротких лазерных импульсов (0,1-10 не), что позволяет значительно уменьшить затраты пучка излучения на создание собственной оптической бистабильности.

При прохождении пучка света через фо- тосегнетоэлектрический кристалл происходит пространственно-неоднородное перераспределение пространственного заряда с повышенной концентрацией фотовозбужденных носителей на периферии светового пучка. За счет этого в освещенной

области кристалла появляется фотоиндуци- рованное электрическое поле Е большой напряженности (10 -10 В/см) и вследствие электрогирзционного эффекта происходит вращение поляризации света

Освещение этой области кристалла пучком света большей ширины и меньшей плотности облучения по сравнению с исходным, приводит к размазыванию областей с повышенной концентрацией электрических

зарядов, следовательно, и к понижению напряженности фотоиндуцированного поля, и уменьшению угла Ф поворота поляризации света при прохождении через кристалл

45

k/cl

Ф Е W+

(2)

где Еф -фотоиндуцированное электрическое поле,

Поэтому для создания оптической бистабильности фотосегнетоэлектрический кристалл помещают межу поляризаторами, рассогласованными на угол р . Значение угла р выбирают таким, чтобы при сравнительно малых значениях интенсивности лазерного пучка TI могло выполняться условие Ф у. В качестве сигнала обратной связи используется часть пучка лазерного излучения, прошедшего через систему

поляризатор - кристалл - поляризатор. Отрицательная обратная связь осуществляется за счет стирания фотоиндуцированных изменений расширенным и посланным обратно в кристалл пучком.

Способ осуществляют следующим образом (фиг.1,а).

Лазерный пучок с гауссовым профилем распределения интенсивности TL излу- чаемый-лазером 1, направляют вдоль оп- тической оси фотосегнетоэлектрического кристалла 2, помещенного между поляризаторами 3 и 4, рассогласованными на угол р (фиг. 1,6), величину которого определяют из значения фотоиндуцированного по- ворота поляризации лазерного излучения в данном кристалле.

Затем, в дальней зона пучка лазерного излучения, прошедшего через кристалл 2, с помощью оптической системы из линзы 5 и выпуклого полупрозрачного зеркала 6 формируют пучок излучения для обратной связи Т2. Пучок обратной связи Т2 направляют обратно в кристалл 2 по пути пучка Т2 для стирания изменений, созданных пер- вичным лазерным пучком TL Диаметр пучка обратной связи с помощью оптической системы зеркало 6 - линза 5, делают большим по отношению к диаметру первичного лазерного пучка Ti (фиг.1 ,в)

Пример 1. В качестве активного элемента используют ниобат лития (LiNbOs), легированный железом (Сре 0,01 вес. %), имеющий вдол ь оптической оси дли- ну 4 мм. Берут импульсный лазер, излучающий в сине-зеленом диапазоне видимого спектра ( АО 0,4-0,54 мкм). Угол рассогласования поляризаторов р , согласно (1) устанавливают равным 1,2°. Излучение лазера 1 проходит кристалл 2 и, начиная с порогового значения интенсивности tn, когда угол поворота поляризации в кристалле (1) , произойдет скачок интенсивности на выходе из поляризатора 4 и, следовательно, возникнет излучение оптической обратной связи Т2. При этом пучок Т2 будет стирать изменения в кристалле, наведенные первичным лазерным пучком TY, и, следовательно, приведет к падению интен- сивности выходного сигнала.

На фиг.2,а приведен графически временной ход лазерного излучения, на фиг.2,6 - то же, выходного сигнала.

Сильная обратная связь приводит к изменению поляризации в широком пределе значений, что и позволяет получить оптическую бистабильность.

Зависимость выходной интенсивности от входной, демонстрирующая пгтлю гистерезиса (фиг.З), подтверждает реализацию собственной оптической бистабильностм с помощью предлагаемого способа.

Пример 2. В качестве активного элемента используют кристалл тантала- та лития (ЫТаОз), легированный медью (Сси 0,05 вес.%), имеющий вдоль оси длину 2,5 мм.

Берут импульсный рубиновый лазер, излучающий на длине волны АО 0.69 мкм. Угол рассогласования р , согласно (1), устанавливают равным 0,9°. Дальнейшие операции и результаты такие же, как в примере 1.

Формула изобретения

Способ создания собственной оптической бистабильности, заключающийся в том, что поток лазерного излучения с гаус- совым профилем распределения интенсивности по поперечному сечению направляют в кристалл с фотоэлектрическими свойствами, в котором осуществляется самовоздействие потока лазерного излучения, .мз модулированного потока формируют обратный поток лазерного излучения, который стирает самовоздействие при превышении пороговом интенсивности, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, контраста и уменьшения энергии переключений, в качестве исходного потока используют плоскополяризованный поток лазерного излучения, который вызывает в кристалле фотогальванический и электрогирационный эффекты, из модулированного потока лазерного излучения выделяют составляющую с направлением плоскости лоляризации, отличающимся от исходного направления на угол фотоиндуцированного вращения, а обратный поток лазерного излучения расширяют до превышения его поперечным сечением размера области с повышенной концентрацией фотоиндуцированнык носителей заряда в кристалле, образуемых исходным потоком лазерного излучения.

Сущность изобретения: плоскополяризованный поток лазерного излучения направляют в кристалл, в котором осуществляется самовоздействие потока за счет фотогальванического и электрогирационного эффектов, приводящее к фотоиндуцированному вращению плоскости поляризации, из модулированного потока формируют обратный поток, стирающий самовоздействие при превышении порога 3 ил

2

k

20

Puz /

In 1О

5

о

S

I

s

w

0

w

&L2.Z

5

т 4

15

20 t, c.

I

w

I 5

.«

s

// 0

5 Фие.З

In I A 20 18x. , ed-