Голографический способ преобразования световых пучков

Голографический способ преобразования световых пучков

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1 (;";а:, ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВКДЕТЕЛЬСТВУ (> t) 657395

Союз Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 21.07.76 (21) 2390546/18-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет

Опубликовано 30.08.82. Бюллетень № 32

Дата опубликования описания 30.08.82 (51) М. К..

6 03 Н 1/00

Н 01 S 3/00

Государствениык комитет (53) УДК 772.99 (088.8) по делам изобретеиий и открытий (72) Авторы изобретения В. Л. Вииецкий, Н. В. Кухтарев, М. С. Соскин и Г. А. Холодарь

Институт физики АН Украинской ССР (71) Заявитель (54) ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в устройствах оптоэлектроники для усиления когерентных световых пучков.

Известен голографический способ усиле- 5 ния световых пучков, заключающийся в помещении в область схождения усиливаемого и донорского когерентных световых пучков нелинейной среды, обладающей тем свойством, что под действием света в ней 10 возникает изменение показателя преломления. При действии на такую среду интерференционного поля рассматриваемых пучков возникает решетка изменения показателя преломления. Дифр акция пучков на этой 1,-. ими созданной решетке и приводит при известных условиях к эффективной перекачке энергии, т. е. усилению одного из пучков за счет другого (донорного) (1).

Основным преимуществом голографического способа усиления света по сравнению с хорошо известным в квантовой электронике способом оптического квантового усиления (ОКУ) за счет вынужденного излучения в инвертированной среде является то, что он позволяет наиболее эффективно использовать энергию когерентных пучков накачки, осуществлять практически полную перекачку энергии накачки в усиливаемый пучок, достигая максимальных значений коэффициентов усиления, В большинстве известных регистрирующих материалов, например в кристаллах кремния, растворах органических красителей, возникающая решетка показателя совпадает с записывающим интерференционным полем. Теория и эксперимент показывают, что при этом перекачка энергии донорного пучка в усиливаемый в стационарном режиме возможна только при возникновении дополнительного дифрагированного пучка более высокого порядка, обмен энергией носит осциллирующий характер. Возникает обратная перекачка энергии от успливаемого пучка к донорному, что делает невозможным достижение значительного усиления световых пучков.

В работе в качестве материала для голографического усиления света использовались растворы красителей в состоянии инверсной заселенности. Материал в состоя- е нии инверсной заселенности обеспечивает усиление проходящего через него света соответствующей частоты без использования описанного выше голографического способа усиления («прямое» усиление света). Как показано в работе, если сравнить между собой усиление пучка света при голографическом усилении света в материалах с инверсной заселенностью, в которых решетка светоиндукционного изменения показателя преломления не смещена относптель657395

3 но возбуждающего интер ференцион ного поля, прямое усиление пучка инвертированной средой в отсутствие донорского пучка, т. е. без голографического усиления, то дополнительное увеличение коэффициента усиления в первом случае по сравнению со вторым невозможно. В лучшем случае каждый из пучков, слабый и донорный, усиливается инвертированной средой независимо от присутствия другого пучка.

Ближайшим известным техническим решением к предлагаемому изобретению является голографический способ преобразования световых пучков путем помещения в область схождения усиливаемого и донорного когерентного пучков . нелинейной среды, создания в среде инверсной населенности с помощью внешней накачки (2).

Наилучшие условия для голографического усиления света реализуются при смещении решетки показателя преломления относительно записывающего интерференционного поля, в оптимальном случае на фазовый угол л/2. Общим недостатком в этих случаях является ограничение достигаемой эффективности усиления, накладываемое наличием поглощения, необходимого для записи решетки показателя преломления.

Целью изобретения является увеличение усиления света.

Цель достигается тем, что поддерживают инверсную населенность среды с помощью накачки и величиной г ехр aZ) 1+ а2 где а — коэффициент усиления невзаимодействующих пучков в инвертированной среде, Г" и à — коэффициенты взаимодействия пучков в инвертированной и неинвертированной средах соответственно, Z — толщина образца.

При прохождении двух пучков через материал, обеспечивающий смещение решетки показателя преломления и обладающий инверсной населенностью, по мере усиления каждого из пучков изменяется степень перекачки энергии от донор ного пучка к усиливаемому вследствие голографического механизма усиления. Покажем, что при этом возможно не простое сложение каждого из указанных механизмов усиления, а значительное дополнительное усиление.

Усиление i-го пучка вследствие его прохождения через среду с инверсной заселенностью в отсутствие другого пучка определяется соотношением

1,. = l,(0) е", (1) где 1;(О) — начальная (при Z=Î) интенсивность пучка;

J. — интенсивность после усиления в

Ся

20 с)5

4 среде с толщиной Z и коэффициентом усиления а.

Здесь и далее предполагастся, что интенсивность накачки, приводящая к инверсной населенности, достаточно велика, так что значения к прн прямом и прн голографическом усилении в инвертированной среде одинаковы.

Вычисление голографического усиления в среде с инверсной заселенностью представляет значительные трудности: эта задача требует решения нелинейной системы уравнений Максвелла п материальных уравнений среды. Для обоснования неаддитивности эффекта усиления методы решения такой системы применены для расчета голографического усиления в материале со смещенной решеткой показателя преломления при условии его инверсной заселенности.

Изменение интенсивностей когерентных пучков света 1 > и 1 и пересекающихся в среде со светоиндуцируемым изменением показателя преломления, при их прохождении вдоль оси Z по толщине образца можно представить в виде разложения по

1 ь включающего члены второго порядка а1. II

=а1 Г а2 I(0) где в квадратичном члене оставлена только интерференционная часть, описывающая взаимодействие пучков; коэффициент разложения Г будем называть коэффициентом взаимодействия пучков; 1(0) =1(0)+

+1 (0). Для инвертированной среды а)

)О, значение Г в этом случае будем обозначать Г ". Величины Г, Г" зависят от коэффициента поглощения а(0 в нормальной или соответственно от коэффициента усиления а)0 в инвертированной среде и от различных параметров системы, в зависимости от механизма светоиндуцируемого изменения показателя преломления (например, от электрооптического коэффициента, температуры, угла схождения пучков и др. в электрооптических кристаллах). Однако здесь явные выражения Г не требуются, реальные же численные значения Г использованы в приведенных оценках.

Решение приведенной системы уравнений для 1ь 1 приводит к выражению для интенсивности пучка, в который происходит голографическая перекачка энергии

1т(Z) =1(0)те + /1+ те, где т=1, (О)/1,(0), Q = (е -1).

Изменение интенсивности пучка при голографическом усилении в неинвертированной среде без учета потерь на поглощение выражается известной формулой

1 ã = l (О) те" /1 + те", 657395 которая может быть легко получена из выражения (2) формальной заменой Г" на Г и а — -0.

Сравним теперь интенсивности одинаковых исходных пучков, один из которых претерпел голографическое усиление в инвертированной среде 11, а другой — последовательно усиление в инвертированной среде в отсутствие донорного пу 1ка и гплографическое усиление в инвертированной среде без потерь на поглощение (в любой

".Z последовательности) 11=е It. Согласно выражениям (1) — (3), от«ошс«пе и«те«сивностей

«)

It m e

При Q (ГХ, как видно пз (4), ) 1, т. е.

Ii )It. Таким образом, рассматриваемые эффекты не аддитивны: при голографическом усилении свега в инвертированной среде со смещенной решеткой показателя преломления происходит дополнительное увеличение коэффициента усиления по сравнению с результатом последовательного применения голографического и прямого (в инвертированной среде той же толщины Z) усиления.

Условие Q (Z можно Ilepcll! ICBT1 B B!: 1C е" ) 1+ кЛ (5)

Поскольку во всех случаях интерес представляют инвертированные среды, приводящие к эффективному усилению (т. е. аУ)

) 1), условие (5) обеспечивается даже при больших значениях отношения Г/Г :".

Физический смысл условия (5) эффективности предложенного способа усиления световых пучков состоит в том, что при малой инверсии решетка изменения показателя преломления, на которой происходит самодифракция пучков, приводящая к голографическому усилению акцепторного пучка, слаоо выражена. При это)л мал и коэффициент взаимодействия пучков в инвертированной среде Г"", условие (5) нарушается; в этом случае голографическое усиление в инвертированной среде мало эффективно.

Наиболее эффективным является использование заявляемого способа для усиления весьма слабых сигналов

m((e, e .

Типичные значения параметров, входящих в выражение (4):Г>5 см —, Г" =2 см —, а=6 см —, Z=0,5 см. При этом Q=6,3 и для величины g получаем из (4); =45 при m<<10 "; с=30 при m=10 — " ; =-8 при т=10-, =1,8 при пг=0,1. (6) Благодаря использованию предлагаемого способа выигрыш в усилении в несколько раз для весьма малых пучков в десятки раз.

5 Используемое значение Г, как отмечалось, не учитывает потери tia поглощение прп голографическом усилении в непнвертированной среде. Учет этого поглощения приво jill к некоторо у уменьшению усилено ния в этом случае, т. с. опрегеленныш выше выигрыш в усилении станет несколько большим.

Химический состав, агрегатное состояние и другие .. арактеристпки используемой ин15 вертирова1шой среды, а также конкретньш спосо6 ее 1!акачки (Оптическая, Ядерной реакцией, током в полупроводниках и др.)

«есуществеины, если достигаются типичные значения параметров а, Г, Г., Z, например, 20 приведенные выше при численной оценке (6).

Использование инвертированной среды со смещенной решеткои 1)Оказателя преломления для голографического усиления 5 Boalto>I !to пр;1; CII IeHIIII :.ак стационарного и i .1<2 Tati li быстропереме11ного п1 Ilia (B дгп амическом режиме). При этом отсутствует ограничение на входные интенсивности преобразуемых пучков, определяемое

;30 величиной коэфф1щиента поглощения при голо"j)2AII еском усилении в неинвертпрованном материале.

Формула изобретения

Гoлог1)афи !eeeté c«tocoo п1)еооразования световых пу.ков путем гомещеипя в область схождения успливаемого и донорног0 когерентных пучков нелинейной среды, создания в среде 1шверс«ой населенности с помощью внешней накачки, 0 т л и ч а ющи йс я тем, что, с целью увеличения усиле«ия света, под.1ержпвают инверсную населенно-ть среды с помощью накачки ве 6 !! t !! t l! 0! i

Г ехр:ь 1+;.Z

I;je (t — коэффицис«т усиления невзапмодсйствую1цих пучков B инвертированной среде, Г" и à — коэффициенты взаимодействия пучков в инвертированной и непнвертированпой средах, соответственно, 7— толщина образца.

И с Т 0 1 н и к И t I H t() o p %1 2 I j I t i t, при«ятые во в«имапие прп экспертизе

1. Материалы У1 Всесоюзной школы по

10логра .1);1« Л. ЛИЯФ, 197-1, с. 532 559.

1 ам .1-0 с- 546