Способ динамического преобразования когерентных световых пучков Советский патент 1978 года по МПК G03H1/00 H01S3/09 

Для типичного режима свободной генерации твердотельных лазеров при см

И ,1 (6°) необходимо т; с.

Это требует перемещения со скоростью 10 см/с, что вполне реализуемо технически. Однако при длительности импульса порядка с, характерной для моноимпульсного режима излучения ОКГ, оценка но формуле (1) дает

У 104-105 см/с,

т. е. звуковые и сверхзвуковые скорости смещения.

Таким образом, перемещение регистрирующей среды с указанной скоростью технически неосуществимо. Следовательно, данный способ непригоден для преобразования пучков моноимпульсного излучения ОКГ.

Цель изобретения - увеличение быстродействия способа преобразования световых пучков.

Указанная цель достигается тем, что к нелинейной полупроводниковой среде, обладающей собственным зона-зонным поглощением на частоте преобразуемых пучков, например к кремнию, прикладывают скрещенные электрическое и магнитное поля так, чтобы их векторы напряженности лежали в биссекториальной плоскости угла схождения пучков.

Для получения максимального энергообмена преобразуемых пучков напряженности Е и Н, соответственно электрического и магнитного полей выбирают в соответствии с условием

... , е + IV

где k - постоянная Больцмана,

Т - температура в градусах Кельвина,

е - заряд электрона,

с - скорость света,

Я - длина волны,

в-угол схождения преобразуемых пучков, tin и ip-подвижности электронов и дырок

соответственно.

На фиг. 1 представлен возможный вариант технической реализации способа; на фиг. 2 - схематическое изображение сил, действующих на свободные носители обоих знаков при помещении полупроводника в скрещенные электрическое и магнитное поля.

Образец 1 полупроводниковой среды имеет напыленные на боковые грани электроды 2, которые подключены к источнику напряжения (на чертеже не показан). Сам образец 1 помещен внутрь соленоида 3, формирующего магнитное поле. На образец 1 направляются пучки преобразуемого излучения: донорный пучок 4, от которого энергия отбирается, н акцепторный нучок 5, в который энергия передается.

На фиг. 2 защтрнхованные плоскости - плоскости максимумов интенсивности светового поля, где число возбуждаемых светом пар носителей максимально. V+ и V- - направленные в разные стороны векторы скорости положительных и отрицательных зарядов, связанные с приложением внешнего электрического поля с напряженностью Е. F - сила Лоренца, вызванная приложением внешнего магнитного поля напряженностью Я и смещающая заряды обоих знаков в одну и ту же сторону. Пунктиром показаны плоскости, в которых концентрация электронно-дырочных пар максимальна, т. е. плоскости максимального изменения показателя преломления, L - расстояние между поверхностями максимального изменения показателя преломления или постоянная решетки.

Под действием света в нолупроводниковой среде возбуждаются пары свободных носителей: электрон в зоне проводимости (отрицательный заряд) и дырка в валентной зоне (положительный заряд). Под действием электрического поля в образце возникает составляющая скорости по полю для дырок и против поля для электронов.

Если к образцу приложено также скрещенное магнитное поле, на движущиеся заряды действует сила Лоренца

Р .(2)

Из этого соотношения следует, что направлениесилы, действующей на заряды разных знаков, в скрещенных полях одно и то же. Происходит это потому, что при переходе от электрона к дырке изменяется как знак заряда, так и направление скорости, в результате знак F сохраняется. Это приводит к тому, что пары свободных носителей смещаются в направлении, перпендикулярном поверхностям максимального значения интенсивности светового поля, и записываемая решетка оказывается рассогласованной по фазе относительно порождающей ее интерференционной картины. Тем самым обеспечивается возможность перераспределения интенсивности преобразуемых световых пучков.

Поскольку смещенная голографическая решетка записывается на свободных носителях, время жизни которых можно регулировать в широких пределах за счет выбора среды, время существования решетки может быть существенно уменьщено по сравнению с прототипом, что является одним из необходимых условий достижения указанной цели.

Полупроводниковая нелинейная среда, используемая в соответствии с данным способом, должна обладать собственным зоназонным поглощением на частоте преобразуемых пучков. Это обеспечивает возбуждение достаточного для записи голограмм числа свободных носителей.

Создание большой концентрации свободных носителей ( см) возможно нри использовании полуцроводниковых материалов с непрямым зона-зонным переходом. Например, в кристаллическом кремнии край полосы поглощения является достаточно плавным, и для частоты излучения неодимового лазера 2,83-10 с поглощение составляет исего 9 .

Возможно использование полупроводников с двухфотонным поглощением на частоте излучения. Так, для излучения рубицового лазера вполне подходят кристаллы CdS

-1

см

(коэффициент поглощения 0,02

МВт/см2

Можно использовать аморфные полупроводники, у которых край собственного поглощения всегда размыт по сравнению с кристаллическими.

Расчет показывает, что при реально достижимых значениях нанрял енностей полей и // и параметров преобразуемых пучков и полупроводниковых сред описываемый способ преобразования является энергетически выгодным.

Например, преобразование пучков с 14кратным усилением акцепторного пучка достигается при дифракционной эффективности Tie порядка 40%. Это значение совпадает по порядку величипы с полученным экспериментально 10-кратным усилением акцепторного пучка.

Таким образом, описываемый способ позволяет создать эффективный преобразователь световых пучков для широкого интервала значений волны заданной длины.

Основная цель изобретения - увеличение быстродействия способа преобразования световых полей осуществляется при любых значениях приложенных полей. Однако для того, чтобы получить оптимальный энергообмен, необходимо подбирать поля в соответствии с условием

sine/2

Я 20-.-.

+ P-p

Использование описываемого способа открывает возможность создания ряда новых элементов и приборов оптоэлектроники и автоматики с высоким коэффициентом преобразования и малым временем срабатывания, что весьма актуально для различных кибернетических и управляющих систем, лазерных установок и других.

Формула изобретения

1.Способ динамического преобразования когерентных световых пучков, заключающийся в помещении нелинейной среды в область их схождения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродейст0 ВИЯ способа, к нелинейной полупроводниковой среде, обладающей зона-зонным собственным поглощением на частоте преобразуемых пучков, например к кремнию, прикладывают скрещенные электрическое и

5 магнитное поля так, чтобы их векторы напряженности были, параллельны биссекториальной плоскости угла схождения пучков.

2.Способ по п. 1, отличающийся 0 тем, что напряженности электрического и

магнитного полей и Я выбирают в соответствии с условием

kT s|n 6/2

// 20-.- ,

|J-n + е

постоянная Больцмана;

температура в градусах Кельвина; заряд электрона; скорость света; длина волны;

угол схождения преобразуемых пучков;

подвижности электронов и дырок соответственно.

Фиг. /

Фиг. г