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

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в устройствах оптической памяти и оптоэлектроники для преобразования быстропеременных ког рентных световых пучков. Известны способы динамического преобразования когерентных световых пучков . Важнейшими характеристи ками динамического преобразования являются перекачка энергии одного и пучков (дрнорного) в другой (акцепторный), определяемая коэффициентом усиления акцепторного пучка Г , и быстродействие, определяемое временем 1 г требуемым для того, чтобы пронзсяило изменение интенсивности преобразуемых пучков, а также изменение фаз и направления распростра,вения преобразуемых пучков. НеобitooKMow условием динамического преобразования переменных во времени с характерным временем изменения д1 световых пучков является малость .времени записи голограмма t по срав нению с. At . Некоторые из преобразующих матери алов (Зе,3 fZnO ) обеспечивают выс кое йаютродействие при преобразовани световых пучков (t 10 -г 10 ) . Однако записываемая в этих материалах решетка показателя преломления примерно совпадает по фазе с порождающей ее световой решеткой (интерференционная картина), что приводит к относительно малому коэффициенту усиления. Для увеличения коэффициента усиления предложен ряд приемов - механическое перемещение регистрирующей среды/ применение скрещенных электрического и магнитных полей, приводящих к относительному сдвигу указанных рааеток. Однако их использование существенно у.слож яет реализацию динамического преобразования пучков.При использовании сегнетоэлектричёского кристалла ннобата лития для преобразования световых пучков, ранетка показателя преломления при записи диналгаческой голограюва сдвинута по фазе на четверть периода относительно возбуждающей световой, решетки без каких-либо вспомогательных приемов. Динамические голограмнл в этих кристаллах обеспечивает эффективный энергетический обмен пучков; более 80% общей записывающего поля концентрируется на выхояе из кристалла в акцепторном пучке. Отметим,что фазовый сдвиг решетка 6 на четверть периода является оптимальным дан получения большого коэффициента усиления акцепторного пучка. Механизм преобразования когерентHtax световых- пучков в кристалле ниобата лития следующий. Падающая на кристалл световая решетка приводит к пространственно периодическому возбуждению- электронов с локальных электронных центров в зону проводимости. В начальный момент возбуждения распределения- отрицательного заряда электронов и положительного центров совпадают, кристалл остается электронейтральным в любой точке. Однако вследствие диффузионно-дрейфового расплывания электронов и их рекомбинации с положительными центрами, распределения зарядов того и иного знака изменяются по разному и перестают совпадать : возникает периодическое распределение заряда и электрического поля в кристалле. Кристалл ниобата лития обладает линейным электрооптическим эффектом : появление поля приводит к пропорциональному изменению показателя прело ления в соответствующем участке кристалла Так как максимумы поля сдвинуты на четверть периода относительно максимумов порождающей све ТОБОЙ решетки, рассмотренный механиз приводит к оптимальному, с точки зрения влияния сдвига на коэффициент усиления, преобразованию пучков. Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ динамического преобразования световых пучков путем помещения -фотопроводящегося кристалла с линейным электрооптическим эффектом в област пересечения световых пучков 2 . Однако в этом способе велика ине ционность преобразования. Характерн время при типичных зяачениях мощнос записывающего излучения 0,01-1 Вт/с составляет минуты и десятки минут. Большая инсерционность обусловлена малой подвижностью, а также малым временем жизни фотоносителей тока. Она исключает возможность применени ниобата лития для динамического пре образования излучеййя твердотельны ОКГ в пучковом () и моноимпульсном ( Д1 с) режимах ген рации, наиболее актуальных с точки зрения быстроты обработки информаци Цель изобретения - увеличение скорости преобраз.сшания при высоком коэффициенте усиления. Для достижения цели световые пуч сводят на кристалле,у которого врем рекомбинации мен-ьше харатстерного вр мени изменения интенсивности преобр уемых пучков, под у1лом определяеым из условия Р 16й 6 «2e/2-D дetp - время рекомбинации; 1 время изменения интенсивноси преобразуемых пучков; Л - длина волны световых пучков; D - коэффициент биполярной дифузии кристалла; б - угол схождения пучков. Для динамического преобразования моноймпульсного излучения неодимовоfo лазера cI.j, световые пучки сводят на кристалле теллурида кадмия с временем рекомбинации , в интервале углов от 0,3 до 7. Для общности рассмотрим полупроводник, у которого свет вызывает переходы электронов в зону проводимости из валентной зоны. Так что образуются подвижные носители заряда обоих знаков. В частности, если подвижность положительных зарядов равна нулю, задача сводится к описанной выше для ниобата лития, когда положительный заряд сосредоточен на неподвижных центрах. Рекомбинация электронов и дырок обычно происходит через рекомбинационные цент|эы. Однако в актуальном для эффективного преобразования пучков случае высокой интенсивнЬстй света заряд, сосредоточенный на центрах рекомбинации, мал по сравнению с зарядами свободных электронов и дырок. Периодическое электрическое поле, модулирующее показатель преломления и необходимое для преобразования пучков, возникает вследствие неодинакового расплывания периодических распределений электронов и дырок. Неодинаковость расплывания обеспечивается неодинаковой подвижностью электронов п и дырок yUp . Поскольку неравенство/к „ jt/Up в полупроводниках, как правило, peaлизуется, условие/и„ специально можно не оговаривать. .Время, необходимое для возникновения эффекта преобразования пучков, представляет собой время возникновения электрического поля. Оно Определяется временем tjj биполярной диффузии на расстояние порядка периода световой решетки L, то есть подвижностью носителей тока /и е U -/ 1 I Г .- 7Г5Т- Kt4a2 где Е - заряд электрона, кТ - температура в энергетических единицах. Требование малой инерционности преобразования пучков сводится, таким образом, к требованию высокой подвижности yu . Однако при сильном расплывании неоднородного распределения электронов и дырок, обусловлен их высокой подвижностью, зависимос их концентраций от координаты, а вместе с тем и электрическое поле, уменьшаются. Вместе с тем ухудшают ся условия-преобразования пучков, уменьшается коэффициент усиления. Таким образом, в динамической голо графии существуют противоположные требования к величине подвижности со стороны большого коэффициента у ления и со стороны малой инерционн ти.Как будет показано на основании расчета,эти требования можно удов летворить одновременно при оптимал ном выборе подвижностей носителей заряда при заданном времени их жизн Система уравнений для интенсивности двух распространяющихся в среде записывающих пучков Ij и лучается из уравнений Максвелла и уравнений баланса числа частиц. Для рассматриваемого случая электроопти ческого эффекта в полупроводнике со свободными нocитeля JШ тока обоих знаков система уравнений ранее не исследовалась. Пользуясь методом, развитым для случая механического сдвига среды (4), для интересующей нас задачи при существенном различи интенсивнрстей преобразуемых пучков (1 1 ) в приближении квазинейтра ности среды и малого поглощения для стационарного случая получим уравие ния перекачки м м - -4o6i3j a3i, гле 2 - координата по толщине ср ДЫг 06, коэффициент поглощения, угол схождения пучков в среде. кТ Ц1р-1и„ /Г . 9 -, а X . 5,„ е я Р® биполярной диффузи U - период интерференционной картины двух рассматриваемых пучков в ср 2В„Гр дз 1)аг- коэффициент биполярно OnlV диффузии носителей заряда. Dp и ТЭ коэффициенты диффузии электронов и дьгрок,связанные с подвижностью соот ношением Энштейна 13 Щ ,1 -время жизни носителей заряда, обусловленн рекомбинацией на рекомбинационных центрах, - электрооптический коэффициент. Яд- длина волны света в вакууме, бд- угол схождения пучков в вакууме,Е - диэлектрическая проницаемость среды для волны Я. Решение системы (1) имеет вид D.t a°exp(a-a,)7;,:i.4Dp3oexp(rtjs,(3) где DO 3°+3f J ; и 3° - начальные интенсивности падающих пучков. Коэффициент усиления слабого акцепторного пучка Г определяется па раметром а и коэффициентом поглощения «1 r or-a;j, (4) Проанализируем решение (2)-(4). Как видно из этих формул-, если произведение Dnpp- 3 , диффузионное время ,Г , усиления пучка не происходит. Это доказывает сделанный выше качественный вывод о том, что полупроводники с весьма высокой подвижностью носителей заряда не годятся в качестве . материсша для перекачки энергии пучка. Количественное условие эффективности преобразования, как следует из (2), имеет вид tjjTtAtT,, is) где А - число порядка единицы. Таким образом, для осуществления эффективного преобразования пучков необходи- МО, чтобы время биполярной диффузии было больше времени рекомбинации. С другой стороны,при DnDp- 0,fgсогласно (2))стремится к бесконечности. Это означает, что при больших значениях tj) изменение показателя преломления не успевает следовать за изменением быстропеременных пучков, у которых характерное время изменения интенсивности At меньше, чем t jj Такая среда непригодна для динамического преобразования быстропеременных сигналов. Необходимым для-динамического преобразования быстропеременных пучков с характерньгм временем изменения At является условие . Таким образом, высокое быстродействие при высоком значении коэффициента преобразования реализуется в средах, у которых одновременно выполняются два указанных выше условия, ограничивающие значениеCjj сверху и снизу: время биполярной диффузии должно быть меньше, чем it , ио больше, чем t-jj . Следует заметить, что приведенные соотнсяяения получены в приближении квазинейтральности. Использование такого приближения делает возможнь теоретическое вычисление коэффициента усиления, которое представляется крайне сложным без приближения квазинейтральности .Нарушение нейтральности существенно увеличивает локальныевнутренние э-лектрические поля в среде, поэтому неучет такого нарушения приводит к пониженному вычисленному значению Г , и в действительности коэффициент усиления выше. Однако,