Способ усиления излучения в резонансно-поглощающей среде Советский патент 1985 года по МПК H01S3/10 

1 Иг обретение относится к области к (ШИТОВОЙ злектроиики и может быть использовано для усиления слабых оптических сигналов, для коррекции волновых фронтов и усиления оптических изображений в голографии и д лазерной активной спектроскопии. Известен способ усиления излучения в резонансно-поглощающей среде основанный на нелинейном взаимодействии световых потоков с различными частотами 1ыр и . Различаюпщеся по частоте сильный 1, / ui | и слабьй (-|шс I световые потоки под не которым углом друг к другу направляются на резонансно-поглощающую среду и на выходе из нее регистрируется интенсивность I.. слабого пот ка. В данном способе усиление слабо го излучения достигается только на смещенной частоте, т.е. когда частоты взаимодействующих потокрв раз личны . в вьфожденном случа усиление слабого потока отсутствует и наблюдается его ослабление. Недостатком данного способа является то, что он применим для усиления слабьк потоков только на смещенной частоте по отношению к частоте сильного потока (т.е. при UJe f LUj). Известен также способ нестационарного усиления слабого излучения в резонансно-поглощающей среде при вырожденном /оУо« и./ взаимодействии В существенно нестационарных условиях взаимодействия фазовая модуляция световых потоков, первоначально имеющих одинаковые частоты, приводит к различному смещению частот вследствие чего возникает мгновенная частотная расстройка и соответственно возникает усилени слабого излучения. В данном случае усиление слабого потока реализуется только в области времен сравн мых с временем релаксации Тр нас ленностей резонансных уровней частиц среды. Недостатком этого способа является то, что усилие слабого излучения реализуется лишь в области переходньйс процессов т.е, в области времен t.fp) и соответственно в области i:7Tp усиление отсутствует. Таким образом, данньш способ пригоден для усиления слабого излучения на несмещенной частоте тг),г1ько в узком интерва1ле длительностей потоков, а именно для импульсных потоков с д.питель ностью j меньшей времени релаксации населенностей резонансных уровней частиц среды. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ усиления излучения в резонансно-поглощающей среде Гз J, путем направления на резонансно-поглощающую среду относительно сильного и слабого световых потоков с последующей регистрацией слабого потока. При малом угле между направлениями ,распространения падающих на потоков вследствие их параметрической связи, обусловленной четырехфотонным параметрическим рассеянием, происходит возбуждение дополнительного (дифракционного) слабого потока. При мощности сильного потока, превышающей пороговое значение, происходит усиление слабых потоков, как падающего на среду, (сигнального) так и дифракционного. В случае, когда угол между потоками значитель но превосходит угол фазового синхронизма для четырехфотонного параметрического рассеяния, дифракционный поток не возбуждается и соответственно в среде распространяются два потока IQ и TC В этих условиях зарегистрировано усиление слабого потока. Усиление наблюдается как на смещенной частоте (), так и в случае вырожденного взаимодействия При (j }f yсиленке обусловлено нестационарными переходными процессами. Недостатком этого способа в случае выроязденного взаимодействия является маль1й диапазон длительностей /Г-i Тр (световых потоков, используемых для усиления. Это обусловлено тем, что в области больших длительноетей/Тп 7up/ усиление слабого излучения оказывается возможным только на смещенной частоте, а соответственно при Ш(, (Л наблюдается ослабление слабого потока. Целью изобретения является расширение диапазона длительности световых потоков, используемых для усиления, что даст возможность усиливать слабые оптические сигнальна несмещенной частоте практически при любой длительности взаи то3

дейг.твуюпр х потоков (в том числе и в случае стационарного взаимодействия) .

Для достижения цели в способе усиления излучения в резонанснопоглощающей среде путем направления на резонансно-поглощающую среду отн сительно сильного и слабого световых потоков с последующей регистрацией слабого потока направляют пучок частиц, исследуемых в качестве резонансно-поглощающей среды, перпендикулярно направлению сильного светового потока со средней скорост движения частиц в пучке V , связанной с углом между слабым световым потоком и направлением пучка О соотношением

KjV cos 9 i2,66y.

волновое число;

где - полуширина резонансного перехода частицj причем частоты световых потоков, направляемых на резонансно-поглощающую среду, выбирают равными. Пример конкретной реализации способа. Описываемый способ основан на допплеровском сдвиге частот световых потоков, взаимодействукицих в атомном (молекулярном) пучке резонансно-поглощающих частиц. Способ применим для пучка частиц (атомов или молекул) имеющих разрешенный переход с частотой лежащей в окрестности частоты взаимодействующих световых потоков J и с существенно различающимися интенсивностями (1.1г) о L Источником пучка частиц.служит камера 1 с газом при низком давлении, имеющая небольшое отверстие Его размеры и давление (Т - температура) в камере подобраны таким образом что имеет место процесс эффузии частиц газа. Сильный поток излучения 1 падает перпендикулярно/направлению пучка частиц, а слабый встречный поток Ij. - под углом е к нему (см. фиг. 1). В этом случае вследствие большого фазового рассогласования для четырехфотонных параметрических процес сов реализуется двухволновое нелинейное взаимодействие световых пот ков с равными частотами в резонанс поглощаюсцей среде. Так как волново

014

вектор Кр сильного потока перпендикулярен вектору скорости v(T) частиц пучка, то для сильного потока Ij, эффект Допплера исключается и независимо от величины скорости движения все частицы пучка будут одинаково эффективно с ним взаимодействовать. Для слабого потока 1с допплеровское смещение частоты будет равно KoVccs б. Используя в качестве источника световых потоков лазер с перестраиваемой частотой, выполним условие точного резонанса/Ujj, su)/В этом случае стационарный коэффициент поглощения (усиления) р слабого излучения имеет вид в области взаимодействия ПОТОКОВ) с, Р - дипольный момент и вероятность спонтанных переходов в резонансном канале частиц (причем с 2 f), 0 - параметр насьш1ения резонансной линии; . -j,/K vcose-, v,V (1,33 - наиболее вероятная скорость частиц в камере при температуре Т , Г/а 2| - неполная гамма-функция. aLiUlpt ..) L т) h )Vi) Из формулы (1) следует, что при мощности сильного потока, превышающей пороговое значение, второеслагаемое отрицательно и по абсолютной величине превосходит первое, т.е. поглощение слабого излучения сменяется на усиление. Это усиление обусловлено вынужденным комбинационным рассеянием мощного- светового потока 1в на подуровнях резонансных частиц, находящихся в мощном световом поле. Процессы комбинационного типа приводят к усилению слабого излучения только на смещенной частоте. В данном случае смещение частот взаимодействующих потоков обусловлено допплеровским сдвигом частоты слабого излучения вследствие направленного движения частиц в пучке. По формуле (1) подбором угла б при заданной температуре Т газа в камере легко определить оптимальные условия перекачки энергии от сильного потока к слабому.

На фиг, 2 приведена зависимость нормированного коэффициента усиления слабого излучения р fi;/Biif |,H(() от величины KpV(,co59 для различных значений мощности сильного потока: (1) - dl. - 2, (2) - о/1о 3, (3) - 5.

При взаимодействии световых потоков Ij. и If. 3 пучке атомов калия (частота излучения tUe резонансна переходу 4 -S-j/j - А Р 3/2 ,1 ( 10 эрг.смз, cJ 2 у 10 сек . , N 2), при диаметре пучка D 0,2 см усиление слабого излучения составляет величину 10.

Использование заявляемого способа усиления излучения в. резонанснопоглощающей среде даст возможность эффективной перекачки энергии от сильного потока к слабому. Эффект перекачки энергии от одного потока к другому может найти применение в динамической голографии и активной спектроскопии.

СПОСОБ УСИЛЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В РЕЗОНАНСНО-ПОГЛОЩАЮЩЕЙ СРЕДЕ путем направления на резонансно-поглощающую среду относительно сильного и слабого световых потоков с последующей регистрацией слабого потока, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона длительностей световых потоков, используемых для усиления, направляют пучок частиц, используемый в качестве резонансно -поглощающей среды, перпендикулярнЬ направлению сильного светового потока со средней скоростью V движения частиц в пучке, связанной с углом между слабым световым потоком и направлением i пучка б соотношением (Я KO cos е 2, 66 у где волновое число; IP - полуширина резонансного перехода частиц, причем частоты световых потоков, направляемых на резонансно-поглоON щающую среду, выбирают равными. ON U