Способ преобразования когерентных световых пучков Советский патент 1982 года по МПК G02F1/35 

1

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в голографии, в устройствах оптической памяти и переработки информации, в оптоэлектронике для преобразования когерентных световых пучков.

Известен снособ преобразования когерентных световых пучков 1. В этом способе интерференционное световое поле создает пространственное неоднородное изменение показателя преломления n(v} среды, на котором происходит дифракция возбуждающих световых пучков (т. е. самодифракция). В результате самодифракции возможна перекачка энергии от одного из пучков (допорного) другому (акцепторному), т. е. перераспределение иитенсивкостей и усиление акцепторного пучка.

К его недостаткам относится сложность реализации способа вследствие того, что имеет место ограничение на использование твердотельных материалов, накладываемое ограниченными размерами последних, так как для осуществления способа необходимо однонаправленное перемещение материала на весь период преобразования пучков.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ преобразования когерентных световых пучков путем их сведения на нелинейной среде 2.

К недостаткам можно отнести сложность реализации и малые функциональные возможности преобразования.

Целью изобретения является упрощение реализации способа и расширепие функциональных возможностей преобразования. Это достигается благодаря тому, что в

способе преобразования когерентных световых пучков путем их сведения на нелинейной среде до пересечения пучков в среде, модулирзют интенсивность по крайней мере одного из них или/и фазу их иитерференциониого поля по изменяемому во времени закону.

При временной модуляции интенсивности на интервалах времени /, где происходит нарастание суммарной интенсивности

падающих пучков, вследствие запаздывания отклика на фотовозбуждение, обусловленного инерционностью среды, индуцируемая решетка показателя преломления сдвигается по фазе относительно возбуждающего интерференциоиного поля, т. е. временно возникает нелокальность отклика среды, необходимая для перекачки энергии от сильного пучка к слабому. Однако при модуляции неизбежно имеются интервалы

времени, на которых интенсивность падающих пучков убывает. На этих интервалах энергия перекачивается в обратном направлении. Таким образом, на интервалах времени с различным знаком изменения интенсивности происходит компенсация перекачки, и можно было ожидать, что в целом при модуляции компенсация отсутствует или малоэффективна. В действительности, как следует из приведенных ниже вычислений,-вследствие нелинейного характера взаимодействия света с индуцируемым им изменением показателя преломления компенсация перекачки является неполной. Аналогично обстоит дело и в том случае, если модулируется во времени не интенсивность, а фаза интерференционного поля. Возникающая при модуляции интенсивности или/и фазы перекачка оказывается эффективной и, как показывают приводимые ниже количественные оценки, достигаемый коэффициент усиления такого же порядка, как в известных способах. Возможны следующие варианты модуляции: модуляция интенсивности одного из пучков; модуляция суммарной иитенсивности пучков; модуляция фазы интерференционного поля. Пусть на нелииейную среду симметрично падают два пересекающихся когерентных пучка, сходящиеся под углом 26, имеющие интенсивности /i и и фазы фь . При прохождении в глубь образца вдоль оси z, вследствие самодифракции, интенсивности и фазы изменяются. В брэгговском приближении эти изменения оиисываются уравнениями± ±2ЛК/./-1 К/:/-1 ехрХ о X(-)(O-(, Л((/,/-1) X ехр (д;- Л ) cos f (Г) - ср (0 uJf, где А - постоянная, определяемая механизмом фотоиндуцированного изменения показателя преломления; X -- (/., Х Г/т; f - интервал времени; т - время релаксации среды при фотовозбуждении. Изменение интенсивности с ростом z происходит по экспоненциальному закону. (Yz), где Г - коэффициент усиления. При достаточно малых значениях Tz, разлагая экспоненту в ряд, получаем (rz)2, (rz). Однако последнее условие может быть достигнуто и при больщих значениях коэффициента усиления Г, за счет малости г. Поэтому можно вычислить значение Г при малом усилении X Гг-с и для больших г, рассматривая случай малого усиления при не слишком больших толщинах прохождения света. Это достигается путем разложения /, ф в ряды по малому параметру в, пропорциональному А, -V/ и собирания членов одинакового порядка по в в (1). Выражение для интенсивностей и фаз прошедших пучков для общего случая произвольпой модуляции весьма громоздки, поэтому приводятся результаты для конкретных частных случаев. 1. Модулируется интенсивность слабого изчка , сильный пучок /i - постоянный ()(Л.гГ а - параметр модуляции; (О - частота модуляции; 1 ±1 - значение интенсивности пучка, падающего на поверхность среды Например, для этилового спирта при (,jy толщина ячейки 2о 2-10-2 см; т 62 МКС, 10 вт/см2, получим Г 50 см-1. л - длина волны света; При модуляция слабого пучка не приводит к заметиьм потерям энергии. Таким образом, модуляция слабого пучка дает возможность реализации эффективной квазистационарной не ограниченной во времени перекачки эчергип между когерентными световыми пу-гхами при их самодифракции на нелинейной среде с локальным откликом. 2. Синхронная модуляция двух преобразуемых пучков: ±г (0) - Y-t (1 + а cos u)); квазистационарный случай (л; ). Для высоких частот модуляции (со/ / I () мм ,.0 ,0 ,„ ± 1 - ± --- Ji J-i (/I - /-i) 2a l + ((l + acosy) X sin у Hsin2y Для низких частот (u)Cl) /±-±(Л.гГ() X 2(1+ siny+f sin2y 4+ %m3y + - sin4y1. В указанных случаях не появляется потоянной составляющей перекачки. Однако

имеется модуляция переменной составляющей на кратных частотах, как в предыдущем случае. Характер такого преобразования различен для случаев малых и больщих частот модуляции.

3. Модуляция фазы. Рассматриваются два падающих пучка, фаза интерференционного ноля которых изменяется по закону Ф а sin со.

Для случая малой модуляции () в установивщемся режиме (-т) уравнение (1) приводят к выражениям

± + / - (а) +

+ 2J, (а) cos шг J, (а) S, - - J, (а) sin0)/„ (а) + 2/, (а) С,);

г,sin (at - (fit COS (at

6, - I + («o

COS ; -Г 2o) sin2u t

c, 1 -b (at)

fn - функции Бесселя для действительного аргумента.

Как видно из выражения (6) в этом случае имеет место осциллирующая перекачка энергии между пучками.

Из приведенных вычислений следует, что, если сходящиеся на нелинейной среде когерентные световые пучки предварительно промодулировать по интенсивности и/или фазе (достаточно модулировать хотя бы один из пучков), то перекачка интенсивности между ними возникает без выполнения обычно требуемого условия нелокальности отклика среды. В зависимости от условий модуляции можно реализовать стационарное усиление слабого пучка, накапливающееся во времени, лнбо получить усиление переменной составляющей на частоте модуляции или кратных частотах. Это преобразование происходит в течение всего времени, пока на среду попадает модулированный сигнал, и не ограничено во времени переходным процессом. Модуляцию пучка света можно производить на любом участке пути пучка до его попадания на преобразующую среду, в том числе и в такой ситуации, когда преобразующая среда удалена от исследователя и непосредственное обращение с ней недопустиМО. Таким образом, возможно дистанционное управление перекачкой с любого участка пути пучка.

Предлагаемый способ усиления пригоден для любой нелинейной среды с локальным

откликом независимо от механизма светоиндуцированного изменения показателя преломления их среды. Так как способ позволяет простым способом снять ограничение, накладываемое на используемую нелинейную среду - нелокальность отклика, то он способствует значительному расщирению круга материалов, пригодных для преобразования когерентных световых пучков, и расщирению пределов достижимых

значений параметров таких материалов, определяющих эффективность и быстродействие преобразования. Это может привести к дальнейщему улучшению параметров преобразования, необходимых для рещения проблем голографии, преобразования и передачи информации, оптической электроники.

Формула изобретения

30

Способ преобразования когерентных световых пучков путем их сведения на нелинейной среде, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации способа и расщирения функциональных возмо.жностей преобразования, до пересечения пучков в среде модулируют интенсивность по крайней мере одного из них или,/и фазу их интереференционного поля по изменяемому во времени закону.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР № 603276, кл. G ОЗН 1/00, 1974.

2. Авторское свидетельство СССР № 519104, кл. G ОЗН 1/00, 1974.