Способ динамического преобразования когерентных световых пучков

Способ динамического преобразования когерентных световых пучков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

3 г i ij 5l9l64

ОПИСАНИ-Е

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 15.05.75 (21) 2135346/18-25 с присоединением заявки № (51) М. Кл з

G ОЗН 1/00

Н 01S 3/09

Государственный комитет (23) Приоритет (43) Опубликовано 30.09.78. Бюллетень № 36 (45) Дата опубликования описания 30.09.78 (53) УДК 772.99:621. .375.8 (088.8) по делам изобретений и открытий (72) Авторы изобретения В. Л. Винецкий, Н. В. Кухтарев, C. Г. Одулов и М. С. Соскин (71) Заявитель

Институт физики АН Украинской ССР (54) СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

КОГЕРЕНТНЪ|Х СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

О

4-, sin—

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано для коррекции угловой расходимости лазеров, для формирования пучков с заданным волновым фронтом в нелинейной опти- 5 ке и оптоэлектронике, в устройствах оптической памяти и т. д.

Известен способ динамического преобразования световых пучков, заключающийся в помещении кристалла ниобата лития в об- 10 ласть пересечения двух когерентных преобразуемых пучков.

Для осуществления динамического преобразования с использованием объемной фазовой голограммы необходимо, чтобы вы- 15 полнялись два условия: записываемая голограмма должна быть рассогласована по фазе относительно записывающей интерференционной картины, в оптимальном случае на четверть периода; регистрирующая среда 20 должна быть обратимой, т. е. записываемая голограмма должна обладать конечным временем жизни.

При осуществлении этого способа с использованием в качестве регистрирующей 25 среды кристаллов с линейным электрооптическим эффектом, например ниобата лития, записываемая решетка оказывается автоматически рассогласованной относительно интерференционной картины вследствие спе- 30 цифики механизма записи голограммы. Однако инерционность записи и стирания, а следовательно, и процесса преобразования составляет десятки минут. Кристаллы данного класса с большим быстродействием в настоящее время неизвестны. Это ограничивает область применения способа. Например, с его помощью принципиально невозможно динамическое преобразование пучков излучения импульсных твердотельных лазеров, характерные времена изменения которых лежат в диапазоне короче 10- с.

Ближайшим техническим решением является способ динамического преобразования когерентных световых пучков путем помещения нелинейной среды в область их схождения, в котором осуществляют механическое перемещение регистрирующей среды в направлении, лежащем в одной плоскости с направлениями пучков и перпендикулярном направлению биссектрисы угла между ними, со скоростью, определяемой формулой где Х вЂ” длина волны излучения; т — характеристическое время установления фазовой решетки в среде;

0 — угол схождения пучков.

519104

Для типичного режима свободной генерации твердотельных лазеров при Л=10-" см и — = 0,1 (= б ) необходимо т= 10 —" с. е

Это требует перемещения со скоростью

10 см/с, что вполне реализуемо технически.

Однако при длительности импульса порядка 10 — —:10 — с, характерной для моноимпульсного режима излучения ОКГ, оценка по формуле (1) дает

V=104 — 10 см/с, т. е, звуковые и сверхзвуковые скорости смещения.

Таким образом, перемещение регистрирующей среды с указанной скоростью технически неосуществимо. Следовательно, данный способ непригоден для преобразования пучков моноимпульсного излучения ОКГ.

Цель изобретения — увеличение быстродействия способа преобразования световых пучков.

Указанная цель достигается тем, что к нелинейной полупроводниковой среде, обладающей собственным зона-зонным поглощением на частоте преобразуемых пучков, например к кремнию, прикладывают скрещенные электрическое и магнитное поля так, чтобы их векторы напряженности лежали в биссекториальной плоскости угла схождения пучков, Для получения максимального энергообмена преобразуемых пучков напряженности E и Н, соответственно электрического и магнитного полей выбирают в соответствии с условием

EH= 20 /гТ с sin 8/2 е > и+Рр где k — постоянная Больцмана, Т вЂ температу в градусах Кельвина, е — заряд электрона, с в скорость света, Л вЂ дли волны, 0 — угол схождения преобразуемых пучков, р и рр — подвижности электронов и дырок соответственно.

На фиг. 1 представлен возможный вариант технической реализации способа; на фиг. 2 — схематическое изображение сил, действующих на свободные носители обоих знаков при помещении полупроводника в скрещенные электрическое и магнитное поля.

Образец 1 полупроводниковой среды имеет напыленные на боковые грани электроды

2, которые подключены к источнику напряжения (на чертеже не показан). Сам образец 1 помещен внутрь соленоида 3, формирующего магнитное поле. На образец 1 направляются пучки преобразуемого излучения: донорный пучок 4, от которого энергия отбирается, и акцепторный пучок 5, в который энергия передается.

25 зо

4

На фиг. 2 заштрихованные плоскости— плоскости максимумов интенсивности светового поля, где число возбуждаемых светом пар носителей максимально. У+ и V — направленные в разные стороны векторы скорости положительных и отрицательных зарядов, связанные с приложением внешнего электрического поля с напряженностью Е.

F — сила Лоренца, вызванная приложением внешнего магнитного поля напря>кенностью

Н и смещающая заряды обоих знаков в одну и ту же сторону, Пунктиром показаны плоскости, в которых концентрация электронно-дырочных пар максимальна, т. е. плоскости максимального изменения показателя преломления, L — расстояние между поверхностями максимального изменения показателя преломления пли постоянная решетки.

Под действием света в полупроводниковой среде возбуждаются пары свободных носителей: электрон в зоне проводимости (отрицательный заряд) и дырка в валентной зоне (положительный заряд). Под действием электрического поля в образце возникает составляющая скорости по полю для дырок и против поля для электронов.

Если к образцу приложено также скрещенное магнитное поле, на движущиеся заряды действует сила Лоренца

F = е (VBJ (2)

Из этого соотношения следует, что направление силы, действующей на заряды разных знаков, в скрещенных полях одно и то же. Происходит это потому, что при переходе от электрона к дырке изменяется как знак заряда, так и направление скорости, в результате знак F сохраняется. Это приводит к тому, что пары свободных носителей смещаются в направлении, перпендикулярном поверхностям максимального значения интенсивности светового поля, и записываемая решетка оказывается рассогласованной по фазе относительно порождающей ее интерференционной картины. Тем самым обеспечивается возможность перераспределения интенсивности преобразуемых световых пучков.

Поскольку смещенная голографическая решетка записывается на свободных носителях, время жизни которых можно регулировать в широких пределах за счет выбора среды, время существования решетки может быть существенно уменьшено по сравнению с прототипом, что является одним из необходимых условий достижения указанной цели.

Полупроводниковая нелинейная среда, используемая в соответствии с данным способом, должна обладать собственным зоназонным поглощением на частоте преобразуемых пучков. Это обеспечивает возбуждение достаточного для записи голограмм числа свободных носителей.

519104

Создание большой концентрации свободных носителей (-10" — 10" см — ) возможно при использовании полупроводниковых материалов с непрямым зона-зонным переходом. Например, в кристаллическом кремнии край полосы поглощения является достаточно плавя ым, и для частоты излучения неодимового лазера 2,83.10 4 с поглощение составляет всего 9 см — .

Возможно использование полупроводников с двухфотонным поглощением на частоте излучения. Так, для излучения рубинового лазера вполне подходят кристаллы CdS

CM (коэффициент поглощения 0,02

КВТ,1см

Можно использовать аморфные полупроводники, у которых край собственного поглощения всегда размыт по сравнению с кристаллическими, Расчет показывает, что при реально достижимых значениях напряженностей полей

Е и Fl и параметров преобразуемых пучков и полупроводниковых сред описываемый способ преобразования является энергетически выгодным.

Например, преобразование пучков с 14кратным усилением акцепторного пучка достигается при дифракционной эффективности т, порядка 40 /О. Это значение совпадает по порядку величины с полученным экспериментально 10-кратным усилением акцепторного пучка.

Таким образом, описываемый способ позволяет создать эффективный преобразователь световых пучков для широкого интервала значений волны заданной длины.

Основная цель изобретения — увеличение быстродействия способа преобразования световых полей осуществляется при любых значениях приложенных полей. Однако для того, чтобы получить оптимальный энергообмен, необходимо подбирать поля в соответсгвии с условием

ЕО 20 Т с в1п 6/2

) р)) + pp

Использование описываемого способа открывает возможность создания ряда новых элементов и приборов оптоэлектроники и автоматики с высоким коэффициентом преобразования и малым временем срабатывания, что весьма актуально для различных кибернетических и управляющих систем, лазерных установок и других.

Формула изобретения

15 1. Способ динамического преобразования когерентных световых пучков, заключающийся в помещении нелинейной среды в область их схождения, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродейст20 вия способа, к нелинейной полупроводниковой среде, обладающей зона-зонным собственным поглощением на частоте преобразуемых пучков, например к кремнию, прикладывают скрещенные электрическое и

25 магнитное поля так, чтобы их векторы напряженности были параллельны биссекториальной плоскости угла схождения пучков.

2. Способ по п. 1, отличающийся

30 тем, что напряженности электрического и магнитного полей Е и Н выбирают в соответствии с условием

ЕУ =20

Е Х и+)р где и — постоянная Больцмана;

Т вЂ” температура в градусах Кельвина; е — заряд электрона; с — скорость света;

40 1 в длина волны;

0 — угол схождения преобразуемых пучков; ц и р> подвижности электронов и дырок соответственно.

519104

Составитель Е. Халатова

Техред Н. Строганова Корректор P. Беркович

Редактор T. Колодцева

Типография, пр. Сапунова, 2

Заказ 2645/2 №зд. М 143 Тираж 520 Подписное

НПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 3(-35, Раушская наб„д. 4/5