Способ динамического преобразования световых пучков

Способ динамического преобразования световых пучков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Соцналистическнх

Республик

<»)603276

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свнд-ву (22} ЗаЯвлено 01.07.76(21) 2379301/18-25 с присоединением заявки М(23) Приоритет— (43) Опубликовано 251178. Бюллетень ЭЙ 43 (45} Дата опубликования описания 26,1178 (Sl) М. Кл.

Й 03 Н !/00

H 01 сз 3/00

Государственный комитет

Совета Министров СССР но делам изобретений и открытий (5З) УДК

772.99 (088.8) (72) Авторы изобретения

В.Л.Винецкий, Н.В.Кухтарев, С.Г.Одулов, М.С.Соскнн и Г.A.Xîëoäàðü (71) Заявитель

Институт физики AH УССР (54) СПОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТОВЫХ

ПУЧКОВ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в устройствах оптической памяти и оптоэлектроники для преобразования быстропеременных когерентных световых пучков.

Известны способы динамического преобразования когерентных световых пучков )1) . Важнейшими характеристиками динамического преобразования являются перекачка энергии одного из пучков (донорного) s другой (акцейторный), определяемая коэффициентом усиления акцепторного пучка Г, и быстродействие, определяемое време)5 нем 1, требуемым для того, чтобы произошло изменение интенсивности преобразуемых пучков, а также изменение фаз и направления распростра,Ввния преобразуемых пучков. Необходимым условием динамического преобразования переменных во времени (с характерным временем изменения йт, ) световых пучков является малость ,времени записи гологразе ы L по сравнению с. д t

Некоторые as преобразующих материалов ()е, б!, 3пО ) обеспечивают высокое быстродействие при 1треобразовании световых пучков (10 - . 10 ).

-А

Однако записываемая в этих материалах решетка показателя преломления примерно совпадает по фазе с порождающей ее световой решеткой (интерференционная картина), что приводит к относительно малому коэффнциейту усиления. Для увеличения коэффициента усиления предложен ряд приемов - механическое перемещение регистрирующей среды, применение скрещенных электрического и магнитных полей, приводящих к относительному сдвигу указанных решеток. Однакс их использование существенно усложняет реализацию динамического преобразования пучков.При использовании сегнетоэлектрического кристалла ниобата лития для преобразования световых пучков, решетка показателя преломления прн записи динамической голограмает сдвинута по фазе на четверть периода относительно возбуждающей световой решетки без каких-либо вспомогательных приемов. Динамические голограввы в этих кристаллах обеспечивают эффективный энергетический обмен пучков: более 80в общей энергии записывающего поля концентрируется на выходе as кристалла в акцепторном пучке. Отметим,что фазовый сдвиг решеткя

603276 на четверть периода является оптимальным для получения большого коэфФициента усиления акцепторного пучка.

Механизм преобразования когерентных световых пучков в кристалле нио- 5 бата лития следующий. Падающая на кристалл световая решетка приводит к пространственно периодическому возбуждению электронов с локальных электронных центров в зону проводи- l0 мости. В йачальный момент возбуждения распределения отрицательного заряда — электронов и положительногоцентров совпадают, кристалл остается электронейтральным в любой точке. !5

Однако вследствие диффуэионно-дрейфового расплывания электронов и их рекомбинации с положительными центрами, распределения зарядов того и иного знака изменяются по разному и перестают совпадать : возникает периодическое распределение заряда и электрического поля в кристалле.

Кристалл ниобата лития обладает линейным электрооптическим эффектом появление поля приводит к пропорциональному изменению показателя преломления в соответс;вующем участке кристалла. Так как максимумы поля сдвинуты на четверть периода относительно максимумов порождающей световой решетки, рассмотренный механизм приводит к оптимальному, с точки зрения влияния сдвига на коэффициент усиления, преобразованию пучков.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ динамического преобразования световых пучков путем помещения фотопроводящегося кристалла с линейным электрооптическим эффектом в область пересечения световых пучков )2) .

Однако в этом способе велика инер- 45 ционность преобраЗования. Характерное время при -типичных значениях мощности записывающего излучения 0,01-1 Вт/см составляет минуты и десятки минут.

Большая инерционность обусловлена малой подвижностью, а также малым временем жизни фотоносителей тока.

Она исключает возможность применения ниобата лития для динамического преобразования излучения твердотельных

ОКГ в пучковом (дФ 10 с) и моноимпульсном (д1 10 с) режимах генерации, наиболее актуальных с точки зрения быстроты обработки информации

Цель изобретения — увеличение скорости преобразования при высоком 60 коэффициенте усиления.

Для достижения цели световые пучки сводят на кристалле,у которого времярекомбинации меньше характерного времени изменения интенсивцости преобра- @5.эуемых пучков, под углом определяемым из условия

Л

Ь с. с1и1

l64, si n 6/2.D

rge t> — время рекомбинации; время изменения интенсивности преобразуемых пучков; я — длина волны световых пучков

0 — коэффициент биполярной диф" фузии кристалла;

9 - угол схождения пучков °

Для динамического преобразования моноймпульсного излучения неодимово,го лазера c и "- 10 с световые пучки сводят на кристалле теллурида кадмия с временем рекомбинации 1 10 9с

I в интервале углов от 0,3 до 7

Для общности рассмотрим полупроводник, у которого свет вызывает переходы электронов в зону проводимости из валентной зоны, так что образуются подвижные носители заряда обоих знаков. В частности, если подвижность положительных зарядов равна нулю, задача сводится к описанной выше для ниобата лития, когда положительный заряд сосредоточен на неподвижных центрах. Рекомбинация электронов и дырок обычно происходит через рекомбинационные центры. Однако в актуальном для эффективного преобразования пучков случае высокой интенсивности света заряд, сосредоточенный на центрах рекомбинации, мал по сравнению с зарядами свободных электронов и дырок. Периодическое электрическое поле, модулирующее показатель преломления и необходимое для преобразования пучков, возникает вследствие неодинакового расплывания периодических распределений электронов и дырок ° Неодинаковость расплывания обеспечивается неодинаковой подвижностью электронов и р и дырок

Поскольку неравенство,Ф, 0

1 и (Р в полупроводниках, как правило, реализуется, условие р „ Ф)И специально можно не оговаривать. .Время, необходимое для возникновения эффекта преобразования пучков, представляет собой время возникновения электрического поля. Оно определяется временем 1, биполярной диффузии на расстояние порядка периода световой решетки Ь, то есть подвижностью носителей тока д е — — 3 0" а — — кТ 4 Я Pl jU g .JU p где К - заряд электрона, k - температура в энергетических единицах. Требование малой инерционности преобразования пучков сводится, таким образом, к требованию высокой подвижности /tl . Однако при сильном расплывании неоднородного распределе603276 ния электронов и дырок, обусловленном их высокой подвижностью, зависимость их концентраций от координаты, а вместе с тем и электрическое поле, уменьшаются. Вместе с тем ухудшаются условия-преобразования пучков, уменьшается коэффициент усиления.

Таким образом, в динамической голо- 5 графии существуют противоположные требования к величине подвижности со стороны большого коэффициента усиления и со стороны малой инерционности.Как будет показано на основании 1(1 расчета,эти требования можно удовлетворить одновременно при оптимальном выборе подвижностей носителей заряда при зацанном времени их жизни.

Система уравнений для интенсивности двух распространяющихся в среде записывающих пучков I< и I получается из уравнений Максвелла и уравнений баланса. числа частиц. Для рассматриваемого случая электрооптического эффекта в полупроводнике со

Свободными носителями тока обоих знаков система уравнений ранее не исследовалась. Пользуясь методом, развитым для случая механического сдвига среды (4), для интересующей нас задачи при существенном различии интенсивностей преобразуемых пучков (1) I ) в приближении квазинейтральности среды и малого поглощения для стационарного случая получим уравнения перекачки аА

+ю З g=»<

ДЕ 1

„„+ < g =а:4.

rae Š— координата по толщине сре С (3.

CO5 -- 40 о — коэффициент поглощения, 8 - -угол схождения пучков в среде. в КТ Р -y„ fE Bo в в е y +p„Я, а

gQ, р=д ф- вРемя биполярной диффузии, 4 " период интерференционной картины двух рассматриваемых пучков в сре2Э„Зр

50 де () коэффициент биполярной

О„< Qp- дйффузии йосителей заряда, )3„ и 23у коэффициенты диффузии электронов и дырок, связанные с подвижностью сост- 55 ношением Энштейна 2 "р- fu 1 -время жизни носителей заряда, обусловленное грекомбинацией на рекомбинационных центрах,Х - электрооптический коэфФициент,Я - длина волны света в ва- 6О кууме,во- угол схождения пучков в вакууме, Е - диэлектрическая проницаемость среди для волны Я . 65

Решение системы (1) имеет вид

= а Яд.ц ш),5 3,.3 е" ð(÷, ), (ц где о =",) 43 ; ) и J - начальные интенсивйостй падающих пучков. Коэффициент усиления слабого акцепторного пучка Г определяется параметром а и коэффициентом поглощения o!(Г=cr ю, (4)

Проанали зируем решение (2 ) — (4 ) .

Как видно из этих формул; если произведение D „ D - cu, диФФузионное время - 0 и сс О, Г <0 ???????????????? ?????????? ???? ????????????????????. ?????? ???????????????????? ?????????????????? ???????? ???????????????????????? ?????????? ?? ??????, ?????? ???????????????????????????? ?? ???????????? ?????????????? ???????????????????????? ?????????????????? ???????????? ?????????????? ?? ???????????????? ?????????????????? ?????? ?????????????????? ?????????????? ??????????. ???????????????????????????? ?????????????? ?????????????????????????? ????????????????????????????, ?????? ?????????????? ???? (2), ?????????? ?????? 2> At, (g) где A — число порядка единицы. Таким образом, для осуществления эффективного преобразования пучков необходи-мо, чтобы время биполярной диффузии было больше времени рекомбинации.

С другой стороны,при D„0p 0(согласно (2),"стремится к бесконечности.

Это означает, что при больших значениях р изменение показателя преломления не успевает следовать за изменением быстропеременных пучков, у которых характерное время изменения интенсивности At, меньше, чем g

Такая среда непригодна для динамического преобразования быстропеременных сигналов. Необходимым для-динамического преобразования быстропеременных пучков с характерным временем изменения Xt является условие

1п. Л1.

Таким образом, высокое быстродействие при высоком значении коэффициента преобразования реализуется в средах, у которых одновременно выполняются . два указанных выше условия, ограничивающие значение 5> сверху и снизу: время биполярной диффузии tр должно быть меньше, чем a1, но больше, чем 1

Следует заметить, что приведенные соотношения получены в приближении квазинейтральности. Использование такого приближения делает возможным теоретическое вычисление коэффициента усиления, которое представляется крайне сложным без приближения квазинейтральности. Нарушение нейтральности существенно увеличивает локальные. внутренние электрические поля в среде, поэтому неучет такого нарушения приводит к пониженному вычисленному значению Г, и в действительности коэффициент усиления выше. Однако, 603276

Формула изобретения

Я

1p "Ur

RbA &in — D

2. 28

Составитель Е.Артамонова

Редактор Т.Колодцева Техред Н.Андрейчук КорректорЕ.Дичинская

Наказ 6788/59 Тираж 522 Подписное

ЯНИИПИ Государственного ксмитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП Патент, r.Óæãoðoä, ул.Проектная,4 нарушение квазинейтральности существенно на сравнительно небольшой части периода голографической решетки. Поэтому можно считать, что полу1 ченный приближенный реЗультат изменится (улучшится) при переходе к точному решению не"очень сильно.

Критерий использованного приближения квазинейтральности сводится к требованию большой величины стационарной концентрации носителей заряда П = 3 О i >, т .е. к ограничению снизу времени рекомбинации 1О

2 Е кт,e, 6 я — (6) с 2 где о — статическая диэлектрическая проницаемость.При выполнении этого условия поправка к вычисленному значению (возрастает.

Рассмотрим в качестве примера электрооптический полупроводникCd7e с высокой подвижностью носителей заряда, обеспечивающей быстродействие, при которой сохраняется высокая эффективность перекачки энергии световых пучков, то есть удовлетворяющие, в отличие от прототипа, оба приведенные выше условия. Время установления равновесия в хорошо проводящем полупроводнике определяется временем биполярной диффузии на длину )

Для дырок (более медленные носители в Cd Ú с)а = 80 сьев.с.) . при L = 10 см и комнатной температуре g порядка

10 ñ. В то же время путем введения специальных примесей, либо путем облучения кристаллов CdTe время реком" бинации в них можно довести до 10 сек 35 и меньше. Таким образом, в Соответствии с формулой изобретенияСд ) 8 может применяться для динамического преобразования пучков, характерное время изменения которых порядка или боль-40 ше 10 8 сек.

При параметрах х = 1,2 10 см/в (5), >0" 0,7 мкм, С б, Т300 Kp gin =

=0,2, D,/ 13 я = 0,08 величина коэффициента усиления, согласно (2), оказывается равной

0i =2,&ем . (7)

Для сравнения укажем, что наибольший достигнутый коэффициент усиления в). МЬ0 порядка 6 см 1, однако инерционность решетки составляет минуты.

Это сопоставление показывает, что 50 выполняется поставленная цель изобретения — увеличение быстродействия преобразования при обеспечении высокого усиления.

Таким образом, описываемый класс полупроводниковых материалов позволяет достичь высоких, сравнимых с лучшими из известных для других материалов, коэффициентов усиления при уменьшении инерционности преобразования световых пучков на несколько порядков, до величин 10 — 10 с.

1. Способ динамического преобразования световых пучков путем помещения фотопроводящего кристалла с линейным электрооптическим эффектом в область пересечения световых пучков, отличающийся тем, что, с целью увеличения скорости преобразования при высоком коэффициенте усиления, световые пучки сводят на кристалле, у которого время рекомбинации меньше характерного времени изменения интенсивности преобразуемых пучков, под углом, определяемым из условия где р - время рекомбийации; (,н — время изменения интенсивности преобразуемых пучков;

Я вЂ” длина волны световых пучков;

2 — коэффициент биполярной диффузии кристалла;

8 — угол схождения пучков.

2. Способ по п.l, о т л и ч а юшийся тем, что для преобразования моноимпульсного излучения неоди-; мового лазера с „ 10 с, световые пучки сводят на кристалле теллурида кадмия с временем рекомбинации t>

l0 с, в интервале углов от 0,3 до 7о

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе: 1. Материалы Пятой Всесоюзной школы по голографии, Л., ЛИЯФ, 1973, с. 535.

2. Материалы Уl Всесоюзной школы по голографии., Л., ЛИЯФ, 1974> с. 532-559.