Способ преобразования когерентных световых пучков

 

1. СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ,путем сведения их в нелинейной среде с локальным откликом, врвия релаксации нелинейности которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излзгчения и формирования голограммы, отличающийся тем, что, с целью обеспечения энергообмена пучков с равными и от слабой к сильной иитенсивностями , углы падения упомянутых пучков на нелинейную среду выбирают неравными друг другу и используют нелинейную среду с показателем преломлег ния, изменяющимся на низких простСО ранственных частотах. 2, Способ по п. ,отличающ и и с я тем, что, с целью получения максимального энергообмена межс с ду преобразуемыми пучками, один из йих направляется по нормали к поверхности нелинейной среды.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21 ) 341 ) 445/18-25 ,(22) I l 12,81 (46) 15 ° OI.86. Бюл. Ф 2 (71 ) Институт физики АН УССР (72) В.П.Кондиленко, С.Г,Одулов, М.С.Соскин и В.Б.Тараненко (53) 772.99(088.8) (56) Винецкий В.Л. и др. Динамическая самодифракция когерентных световых пучков. УФН, 1979, т. 129, вып. 1, с . 113-137, Там же, с. 1!6.

Авторское свидетельство СССР

У 820457, кл. G 02 F 1/35, 1979.

Авторское свидетельство СССР

В 526208, кл. G 03 Н 1/04, 1975.

Авторское свидетельство СССР

В 519104,кл. G 03 Н 1/00, Н 01 S 3/09, 1975.

Авторское свидетельство СССР

У 492229, кл, Н 01 S 3/00,,1973.

Винецкий В.Л. и др. Динамическая самодифракция когерентных световых пучков. "УФН".1979, том. 129, вып, 1, с. 123. (19) (И), (5!! 4 G 03 Н 1/00 Н Ol S 3/10 (54)(57) 1. СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

КОГЕРЕНТНЫХ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ, путем сведения их в нелинейной среде с локальным откликом, время релаксации нелинейности которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излучения, и формирования голограммы, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью обеспечения энергообмена пучков с равными н от слабой к сильной интенсивностями, углы падения упомянутых пучков на нелинейную среду выбирают неравными друг другу и используют нелинейную среду с показателем преломления, изменяющимся на низких пространственных частотах.

2 ° Способ по п. 1, о т л и ч а ющ н и с я тем, что, с целью получения максимального энергообмена между преобразуемыми пучками, один из них направляется по нормали к поверхности нелинейной среды.

1 10901

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.

Известны способы динамического пре. образования световых пучков, заключающиеся в помещении нелинейного материала в области пересечения двух когерентных преобразуемых пучков. При воздействии на нелинейный материал интерференционного поля взаимодействующих пучков в нем записывается динамическая голографическая решетка, и преобразование пучков является результатом их дифракции на этой решетке.

Необходимым условием преобразования интенсивностей взаимодействующих пучков является пространственное рассогласование, записываемой решетки относительно интерференционного поля. Оптимальное рассогласование составляет четверть пространственного периода решетки.

Известны способы преобразования с использованием нелинейных сред, которые обеспечивают требуемое рассогласование автоматически, вследствие,специфики механизма записи. К ним относятся способы преобразования с использованием сегнетоэлектрических и полупроводниковых крис3 таллов с линейным электрооптическим эффектом. Однако большинство регистрирующих сред в динамической голографии имеет локальный отклик, записываемые решетки в них совпадают по фазе

40 с интерференционным полем, и стационарное преобразование интенсивностей взаимодействующих пучков в них невозможно °

Известны способы преобразования, которые позволяют получить требуемое

45 пространственное рассогласование для ряда частных случаев за счет различных внешних воздействий. Так, среды, нелинейность которых связана с фотогенерацией заряженных частиц, помеща. ют во внешнее электрическое или скрещенные электрическое и магнитное поля. Среды со сравнительно медленной релаксацией нелинейности, например растворы красителей, перемещают в процессе воздействия преобразуемых пучков с определенной скоростью. -Все эти способы не являются

52 2 универсальными и требуют специальных дополнительных устройств.(источников питания, механизмов перемещения) и приемов (ориентация векторов напряженности воздействующих полей или направления движения среды по от ношению к направлению схождения пучков) для их осуществления. о

Наиболее универсальным способом преобразования световых пучков является способ преобразования когерентных световых пучков путем сведения их в нелинейной среде с лЬкальным откликом, время релаксации нелинейности которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излучения и формирования голограммы. В этом способе на нелинейную среду направляют пучки с резко отличающимися интенсивностями.

В результате самовоздействия пучков в процессе записи голограммы разность их фаз на выходе из голограммы изменяется от нуля до некоторого конечного значения, что приводит к искривлению (наклону) интерференционного поля в объеме нелинейного матерна" ла. Вследствие инерционности реальных процессов нелинейности голографическая решетка не сразу догоняет уходящее интерференционное поле и существует некоторый период времени, в течение которого решетка и интерференционное поле рассогласованы и возможен энергообмен.

Нестационарный энергообмен по это« му способу реализован на всех известных классах нелинейных материалов. В ряде случаев он обеспечивает исключительно сильный энергообмен, при котором интенсивность слабого акцепторного пучка увеличивается в 1О раз за счет полной перекачки энергии донорного пучка. Однако и данный способ имеет свои ограничения. Так в нем энергообмен определяется разностью интенсивностей взаимодействующих пуч" ков и становится невозможным при равенстве их интенсивностей. Направление перекачки энергии не зависит от знака коэффициента нелинейности и. осуществляется всегда только от сильного пучка к слабому. Вследствие этого суммирование интенсивностей нескольких слабых пучков в один сильный за счет последовательного применения данного способа не всегда возможно.

1090152

Цель изобретения - обеспечение энергообмена пучков с. равными и от слабой к сильной интенсивностями.

Цель достигается тем, что в способе преобразования когерентных световых пучков, заключающемся в сведении их в нелинейной среде с локальным откликом, время релаксации нелинейности которой одного порядка или больше длительности импульсов преобразуемого излучения, и формирования голограммы, углы падения взаимо- действующих пучков на нелинейную среду выбирают неравными друг другу,. причем используют нелинейную среду,. с показателем преломления, изменяющимся на низких пространственных частотах.

Для получения максимального энергообмена между преобразуемыми пуч- . ками один из них направляют по нор-мали к поверхности нелинейной среды.

На фиг.1 показаны ход лучей преобразуемых пучков и структура их интерференционного поля для Начального этапа записи (пунктир) и стационарного состояния (сплошные линии); на фиг.2 - схема рассматриваемого взаи» модействия в пространстве волновых . векторов, где k u kq — волновые векторы взаимодействующих пучков, волновой вектор записываемой решетки. Индексы "о" и "ст" указывают на начальный этап записи и стационарное состояние соответственно.

Для упрощения изображения полагается, что пучки входят в нелинейную

Среду из среды с таким же показателем преломления И .

Пусть на плоскопараллельный слой нелинейной среды падают две когерентные световые волны 1, .2 с интен-, сивностями З, и J и волновыми векторами k и k, как показано на фиг.1 и 2.

Распределение интенсивности в интерференционном поле этих пучков в среде представляет собой

1Я =! i I i 2ДД сов(1, )., (1) где K = k — k — волновой вектор решетки.

Пусть далее показатель преломления нелинейной среды есть постоянная В плюс часть 4п линейно и локально зависящая от интенсивности света в() = n ьд(1 ) =nî

Ьп() = 2м, !?, Ig сОь (k, ) (3 ) происходит также изменение среднего показателя преломления

10 и - и = о + h. A = =A +- с4 (I,+ I Ä ° (Q )

Это изменение приведет к тому, 15 что по закону Снеллиуса изменится угол преломления для каждого из преобразуемых пучков (т.е. направление волновых векторов обоих пучков в среде) . Кроме того, изменится модуль

20 волновых векторов в среде (на фиг.2 они будут оканчиваться на окружности с радиусом h ) . В результате изменятся направление и абсолютная величина вектора решетки K -+ K, 25 что соответствует изменению периода и угла наклона интерференционных полос по отношению к поверхности нелинейного слоя.

Если время релаксации нелинейности среды окажется значительно мень ше, чем длительность импульсов преобразуемого излучения, установится стационарное состояние, при котором голографическая решетка догонит интерференционное поле и вновь, как и в начальный момент записи, совпадет с ним в пространстве. При этом энергообмен полностью исчезнет, т.е, интегральная эффективность преобразования по всей длительности импульСа уменьшается.

Таким образом, за время порядка времени релаксации нелинейной среды происходит изменение пространственного положения интерференционной картины от положения, определяемого исходным показателем преломлеЗ5 ния hо (штрихи на фиг.1 и 2), до положения, определяемого стационарным значением h" = в + ьп (сплошные линии на фиг.1. и 2). В течение все го этого времени в силу инерции

40 нелинейности решетка изменения показателя преломления будет отставать от интерференционного поля, т.е. будет выполнено необходимое условие энергообмена.

52 Ь становится больше 1 и эффективность преобразования по схеме фиг.1 превышает эффективность преобразования по способу-прототипу, г hnZ(З5

Ъ (oe q„соб с9 !

5 10901

Оценим теперь величину эффекта в сравнении с прототипом, Как в том, так и в другом случаях эффективность преобразования определяется двумя факторами: дифракционной .эффективностью динамической решетки, которая однозначно связана с величиной модуля. ции показателя преломления, а также цредельным углом фазового рассогласования между решеткой и интерференцион-1О ной картиной.

Полагая, что запись решетки происходит в одной и той же среде излучением с одинаковой мощностью, получим, что дифракционные эффективнос- 15 ти записываемых решеток близки, Предельное изменение разности фаз в слу" чае прототипа определяется выражением

2 an K (h- I,/z,1 =scose (.,iz,) < ) где 2 - толщина нелинейного материа-, ла;

25 — половинный угол схождения преобразуемых пучков в среде.

Максимально г при д, » «3 и состав. г ляет

<=(2« n К/ coo Е) (6) зО

Расчет предельной разности фаз для для схемы, приведенной на фиг.1, дает

Максимально возможная разность фаз возникает в случае нормального падения одного из пучков на нелинейный материал, q = О, Сопоставление выражений (6) и (8) 45 показывает, что для углов распространения, от 10 до 45 предлагаемый способ обеспечивает близкое к прототипу фазовое рассогласование, а следовательно, совпадающую по поряд- 5О ку величин эффективность преобразования. о

При Я,> 45 числовой коэффициент в круглых скобках в выражении (8) Как видно из выражения (8), пре= дельная разность фаз зависит от интенсивности света только через dn (см. выражение (3)) но не зависит (в отличие от способа-прототипа) от. отношения интенсивностей преобразуемых пучков . Таким образом, в соответствии с поставленной целью возмож но осуществление перекачки энергии между пучками равной интенсивности, а также от пучка с малой интенсивностью к пучку с большой интенсивностью, т. е. функциональные возможности способа шире, чем у способа-прототипа. Направление перекачки энергии определяется знаком фазового рассогласования, т.е..зависит от знака изменения показателя преломления среды и соотношения углов падения пучков на среду.

Как следует из выражения (8), фазовое рассогласование, а вместе с ним и возможность преобразования, исчезают при <, = + Ц, т.е. при симметричном падении пучков на нелинейную среду, а такжу при близости углов падения пучков на среду.

Соотношение (8) выведено в предположении, что среда. обладает локальным откликом, задаваемым выражением (4). Отметим, что в способе-прототипе необходимым условием является отличие от нуля только переменной части ahh(р) ФО, в то время как для реализации способа по изобретению требуется дополнительно изменение среднего показателя преломления

М ФО. Поскольку существуют среды с локальным откликом, в которых пространственная модуляция может происходить беэ изменения среднего значения показателя преломления, это условие также является необходимым условием осуществления способа.

Способ преобразования может быть успешно использован со всеми классами нелинейных материалов для преобразования световых импульсов соответ. ствующей длительности.

1090152

Фиа2

Составитель

Редактор Л.утехина Техред Т.Тулик

Корректор Л,Пилипенко

Филиал ППП "Патент", г..Ужгород, ул.Проектная,4

Заказ 8557/6 Тираж 447 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5