Способ преобразования когерентных световых пучков

 

О П И С А Н И Е ()820457

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 28.12.79 (21) 2860189/18-25 с присоединением заявки № (51) М. Кл.

G 02F 1/35

ГссУдарствеииый комитет (23) П рддр по делам изобретений (43) Опубликовано 23.09.82. Бюллетень № 35 (53) УДК 535.8(088.8) и открытий (45) Дата опубликования описания 23.09.82 (72) Авторы изобретения В. Л. Винецкий, Н. В. Кухтарев, В. Б. Марков, С. "V. ОдуИови М. С. Соскин

Институт физики AH Украинской ССР (71) Заявитель (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КОГЕРЕНТНЫХ

СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

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 способ преобразования когерентных световых пучков (1). В этом способе интерференцио»ное световое поле создает пространственное неоднородное измс- 10 нение показателя преломления п(о) среды, на котором происходит дифракция возбуждающих световых пучков (т. е. самоднфракция). В результате самодифракции возможна перекачка энергии от одного из 15 пучков (донорного) другому (акцепторному), т. е. перераспределение интенсив»остей и усиление акцепторного пучка.

К его недостаткам относится сложность реализации способа вследствие того, что 20 имеет место ограничение на использование твердотельных материалов, накладываемое ограниченными размерами последних, так как для осуществления способа необходимо однонаправленное перемещение матери- 2s ала 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 расширение 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, модулируют интенсивность по крайней мере одного из них или/и фазу их интерференционного поля по изменяемому во времени закону.

При временной модуляции интенсивности на интервалах времени t, где происходит нарастание суммарной интенсивности падающих пучков, вследствие запаздывания отклика на фотовозбуждение, обусловленного инерционностью среды, индуцируемая решетка показателя преломления сдвигается по фазе относительно возбуждающего интерференционного 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 пада820457

3 ющих 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 количествел(ые оценки, достигаемый коэффициент усиления такого же порядка, как в известных способах.

Возможны следующие варианты модуляции: модуляция интенсивности одного из пучков; модуляция суммарной интенсивности пучков; модуляция фазы интерференционного поля.

Пусть на нелинейную среду симметрично падают два пересекающихся когерентных пучка, сходящиеся под углом 20, имеющие интенсивности 1, н 1, и фазы (((,,. При прохождении в глубь образца вдоль оси z, вследствие самодифракции, интенсивности и фазы изменяются. В брэгговском приближении эти изменения описываются уравнениями

* =+2А(/1I i (VII,,ехрg д» о

X (x — x) sin (;р (t ) — (1)(dt, (1)

t д

= A(l, — I ((I,I-i) * t VI/- Х д»

О у ехр (х — х) с os ((t ) — q (1)) di, где Л вЂ” постоянная, определяемая механизмом фотоиндуцированного изменения показателя преломления; х =- t/-., х = t / ;

t — интервал времени; т — время релаксации среды при фотовозбуждении.

Изменение интенсивности с ростом z происходит по экспоненциальному закону.

I - ехр (Гя), где à — коэффициент усиления. При достаточно малых значениях Г», разлагая экспоненту в ряд, получаем

1- + (Гя), (Гя) <<1. Однако последнее условие может быть достигнуто и при больших значениях коэффициента усиления Г, за счет малости z. Поэтому можно вычислить значение Г при малом усилении

Г «1 и для больших Г, рассматривая случай малого усиления при не слишком больших толщинах прохождения света. Это достигается путем разложения 1, у в ряды по малому параметру О, пропорциональном) Л, (2) = Q (" н " м* «( (о и собирания членов одинакового порядка по О в (1).

Выражение для интенсивностей и фаз прошедших пучков для общего случая произвольной модуляции весьма громоздки, поэтому приводятся результаты для конкретных частных случаев.

1. Модулируется интенсивность слабого пучка I ь сильный пучок I, — постоянный

I 1(о) I(î) (I(0) 1((î0> ), (а -)

> -+ (=)"

X 1+ — (1+ а cos y) X а

X sin у + — sin 2у

Для низких частот (а/ « 1)

1 (Л )«(10 10 )1010 )

X 2 1+ — siny+ z — — sin2y+

+ — - з1п Зу+ — sin 4ó1. (4)

2 4 J

В указанных случаях не появляется постоянной составляющей перекачки. Однако где а — параметр модуляции; со — частота модуляции; (о)

1 т — значение интенсивности пучка, 05 падающего на поверхность среды (z=0) .

Например, для этилового спирта при

) =10 — " см толщина ячейки z0=2 10 — см; т=62 мкс, 1 («1» (= 104 вт/см получим

30 Г= 50 см — .

А. — длина волны света;

При I»)I (модуляция слабого пучка не приводит к заметнь.м потерям энергии.

Таким образом, модуляция слабого пуч35 ка дает возможность реализации эффективной квазистационарной не ограниченной во времени перекачки э ергин между когерентнь:ми световыми и, хами при их самодифракции на нелинейной среде с локаль4() ным откликом.

2. Синхронная модуляция двух преобразуемых пучков: о

1((0) = i (1+ а cos 01), квазистационар45 ный c0Ó"ай (x=t/T)) 1).

Для высоких частот модуляции (wt =

= — go)) 1) (Ат») о о о

I(1 т(1(— 1 ()2а X

820457

s l tl (o t — mt c os о) 1

S,=

1+ («)2

cos t —, - 2 t sin 2со/

1 -1- (u)t)2

СССР

СССР

Составитель Н. Назарова

Редактор О. Филиппова Техред А. Камышникова Корректор Е. Осипова

Заказ 1440/4 Изд. № 221 Тираж 516 Подписное

НПО «Поиск» Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Типография, пр. Сапунова, 2 имеется модуляция переменной составляющей на кратных частотах, как в предыдущем случае. Характер такого преобразования различен для случаев малых и больших частот модуляции.

3. Модуляция фазы. Рассматриваются два падающих пучка, фаза интерференционного поля которых изменяется по закону гр= а sin го1.

Для случая малой модуляции (а((1) в установившемся режиме (t »T) уравнение (1) приводят к выражениям

V4 =:1: 4лтЫ + Уо — 1(У, (а) +

+ 2У,(а) cosàt)У,(а) 5,— — У, (а) sin

ӄ— 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, либо 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 недопусти5 мо. Таким образом, возможно дистанционное управление перекачкой с любого участка пути пучка.

Предлагаемый способ усиления пригоден для любой нелинейной среды с локальным

10 откликом независимо от механизма светоиндуцированного изменения показателя преломления их среды. Так как способ позволяет простым способом снять ограничение, накладываемое на используемую не15 линейную среду — нелокальность отклика, то он способствует значительному расширению круга материалов, пригодных для преобразования когерентных световых пучков, и расширению пределов достижимых

20 значений параметров таких материалов, определяющих эффективность и быстродействие преобразования. Это может привести к дальнейшему улучшению параметров преобразования, необходимых для ре25 щения проблем голографии, преобразования и передачи информации, оптической электроники.

Формула изобретения

Способ преобразования когерентных световых пучков путем их сведения на нелинейной среде, отличающийся тем, что, с целью упрощения реализации спосо35 ба и расширения функциональных возможностей преобразования, до пересечения пучков в среде модулируют интенсивность по крайней мере одного из них или/и фазу их интереференционного поля по изменяе40 мому во времени закону.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

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

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