Динамические голограммы на резонансной и тепловой нелинейностях и их применение Ивакин, Евгений Васильевич

Введение к работе

Актуальность темы

Основополагающие работы Э.Лвйта, Ю.Упатниекса и Ю.Н.Денисвка 1962-1963 г.г. и достижения квантовой электроники приведи к возрождению голографии на новом уровне. Вместе с огромными возможностями и перспективами голографии б решении задач записи и восстановления волновых фронтов стали очевидны ее ограничения, связанные со статическим характером операций, осуществляемых заданной голограммой над заданными световыми полями. В конце шестидесятых годов для существенного повышения скорости голографирования были предпринята пэрЕЫэ попытки использования нелинейнооптических мехвішзмоа взаимодействия света о веществом для скоростного преобразования пространственно - углоеой структуры волновых фронтов. Четко наметивиееся в это время взаимное проникновение идей нелинейной оптики и голографии впоследствиэ привело к роадэнию нового научного направления -динамической голография.

В этот период актуальным было с одной стороны выяснить повне возможности динамической голографии в задачах управления световыми пучками, а с другой - определить те механизмы взаимодействия света с веществом, которые наиболее эффективно могут воспроизводить тонкую пространственную структуру регистрируемого волнового поля. Особое значение юле ли исследования быстродействия и светочувствительности нелинейной среды, связанных с релаксацией и нелинвйнооптичвоким откликом Евквства, используемого для записи и обработки волнового фронта.

Задачей динамической голографии является преобразование пространственной структуры или энергетических параметров модулированных световых лучков в масштабе времени, определяющемся используемым нелинейтаоптичоским механизмом. Это потребовало разработки новых оптических схем многопучковзго взаимодействия с учетом угловой селективности динамической голограммы,

переналожения пучков самодкфракцки, эффектов энергообмека и т.д. Актуальные было также выяснить возможности применения динамических решеток в нелинейной спектроскопии для изучения временных и амплитудных параметров светояндуцированного отклика среды.

Цель работы

Целью работы является : развитие фундаментальных и прикладных аспектов динамической голографии и разработка новых принципов пространственно-временного преобразования волновых Фронтов на безе нэлинейноолтического взаимодействия света с веществом ; поиск механизмов записи динамических голограмм с високим быстродействием и светочувствительностью : разработка новых методов и схем скоростной оптической обработки информации; анализ возможностей применения динамических решеток в нелинейной спектроскопии для изучения амплитудных и релаксационных параметров вещества.

Научная новизна работы

Научная новизна работы определяется тем, что в ней установлены новые закономерности ігреоОразования нелинейными средами световых полей со сложной пространственной структурой, а именно;

1. Обнаружено явление обращения волнового фронта (ОВФ) при вырожденном четырехволновом взаимодействии (БЧВВ) в нелинейной среде.

2. Предложен новый механизм записи динамических голагрвмм с повышенной чувствительностью ; насыщоние коэффициента усиления инверсной резонансной среды.

3. Теоретически и экспериментально изучен тепловой режим поглощавшего слоя в интерференционном поле когерентного излучения при нерезонансном взаимодействии в условиях импульсного и непрерывно - модулированного возбуждения.

4. Исследованы закономерности формирования и релаксации

акустических волн, возбуждаемых импульсным интерференционным полем в поглощающей среде. Экспериментально показано, что в четырехволновом ОВФ-зеркалв в условиях быстрой термвлизация поглощенной энергия возможно формирование двух акустических решеток: мега- и гигагерцового диапазонов.

5. Предложен новый тіш ОВФ-зеркела, в котором вместе с обращением волнового фронта осуществляется инверсия контраста обращенной волны.

6. Теоретически и экспериментально исследованы процессы переноса изображения через фззово-наоднороднне среда и предложена методы улучшения качества изображения, основанные на эффектах накопления безопорннх голсгрсмм сфокусированного изображения и иепользуюцие корреляционные свойства регистрируемого поля.

Практическая еначиаость результатов работы

Практическая значимость результатов работы заключается в разработке ноеых методов и схем пространственного преобразования сеєтознх пучков в реальном времени, методов исследования физических параметров среда, обладающих преимуществами перед известными. В частности:

1. Разработан новый оптический елемент адаптивной оптики -нелинейдооптическоэ четирехволновое ОБФ-зэркэло, с помощью которого возможна коррекция формы волнового фронта и осуществление других операций над световыми пучками в реальном времени.

2. Разработаны метода однонаправленной передачи оптического сообщения через фазово-неоднороднш среды, основанные на пространственной модуляции одной из взаимодействующих если в схема ОВФ при ВЧВВ. Прэдлокенщй адагггазгай принцип устранения спекл-шумсв в изображении мокзт нййти применение э когерентних системах оптической записи и преобразования информанта:,

3. Предложен и создан динамический коррелятор, действие которого основано на попутном трехпучяовом взаачодойстн!':' когерентных спетоних волн в нелинейной среде и которой

- о -

предназначен для осуществления операций сьертки и корреляции изменяющихся пространственных образов.

4. Разработан ВЧВВ-метод измерения корреляционной ширины
ультракороткого лазерного импульса, который в сравнении с
известными катодами более универсален и но дает постоянной
фоновой подставіси.

5. Предложен метод фотоакустичоской спектроскопии,
предполагающий импульсное возбуждение в исследуемом вещества,
помещенном в поле встречных сватових пучков, гипврзвуковнх
монохроматических волн за счет термахнзацни поглощенной энергии.
Метод позволяет в условиях перекрывающихся полос поглощения
выделить те из них, которые соответствуют короткозшвущкм
энергетическим уровням.

6. Разработаны метода, основанные на формировании в
Еащасгва стоячей или бегущей динамической решетки к исследовании
дифракции на ней пучка зондирования. Они характеризуются
высокими временным разрешением и чувствительностью в сочетании с
простотой осуществления.

7. Создан макет лазерного терморолаксометра,
предназначенного для измерения температуропроводности
конденсированных сред, в котором реализован предложенный
метод измерения тешюфизичвеких параметров вещества. Макет
соеспечивает высокую точность и производительность измерений и в
настоящее время используется для исследования как наиболее
низкотеплопроводных материалов (пластмассы, стекла,
теплоизоляционные минералы), так и наиболее высокотешгалроводных
сред, известных в природе, таких как природные и синтетические
алмазы. Макет взят за основу для дальнейших приборных
разработок.

Многие результаты, полученные диссертантом, нашли свое отражение в обзорных статьях и монографиях других авторов.

Основные половения, шноашые на защиту

I. При воздеЯствиэ на нелинейный слой сигнального пучка со

- S -

сложной формой волнового фронта и двух плоских встречная воля накачки в результате вырожденного четирехволнового взаимодействия формируется световой пучек с волновым фронтом, обращенным по отношении к фронту сигнального пучка. Явление монет быть использовано для адаптивной коррекции форма волнового фронта в реальном масштабе времени.

2. Насыщение усиления инверсной среды как новый механизм записи динамических голограм;-? и обращения волнового фронта позволяет повысить эффективность взаимодействия пучков в нелинейной среде и осуществить обращение волнового фронта с высоким коэффициентом отражения при малой интенсивности падающих золн.

3. Поітутное трехдучковое взаимодействие в тонком нелинейном слое в схеме, содержащей Фурье-преобразугацие линзы, приводит к формированию пучков самодифракции, описывоюгцяхся пространственными Функциями типа свертки и корреляция входных образов. Разработанный, дкнямическкй коррелятор открывает возможности оперативного распознавания объектов, изменяющихся во времэни.

4. При вырожденном чэтнрэхволнсвом взаимодействии в
условиях амплитудной модуляции световых пучков существует полоса
пространственны* частот, которые передаются обращенной волной
через тонкий фазово-нэоднородннй слой без искажений. Ширина
полоса зависит от геометрии взаимодействия, толщины нзликэйного
слоя, расстояния до фазово-неоднородаого слоя и его параметров.
В предельном случае совмещения плоскостей: амплитудного
транспаранта и неоднородного слоя оОращешзвя волна осуществляет
адаптивное устранение сдакл-структурн в когерентном изображении.

5. Сочетание операц^гій обращения волноеого фронта л инверсии контраста в распределении амплитуда поля сформированной волны открывает возможности управления световыми пучками в средах с амплитудными неоднородностгаяи.

6. Запись безопорпых голограмм сфокусированного изсОрзжешга в свете с частичной пространственной когерентностью улучшает частотно-контрастную характеристику системы видения через рэссвивавдке среды без операции накопления гслограмм и позволяет реализовать когерентную фильтрацию изобретения в реальном масштабе времени.

7. Экспериментальные результаты возбуждения гшюр-
акустической волны в ОВФ-заркала и предложения ев использования
в фотоакустической спектроскопии гиперзвукового диапазона длл
селактивного исследования энергетических уровней' с малым
временем термализации поглощенной- энергии.

8. Разработка и метрологическое обоснование импульсного и
фазового фототермичвских методов измерения теплофизическмх
параметров среды путем возбуждения тепловой динамической
решетки и их применение для исследования твердых тел с низким
фототермическим откликом и предельно высокой теплопроводностью.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы докладывались на многих всесоюзных и международных конференциях, совещаниях и школах : Всесоюзной конференции "Автоматизация нвучных исследований на основе применения ЭЦВМ" (НовосиСирск-1970), II Всесоюзной конференции "Физические основы передачи информации лазерным излучением" (Киев-1970), XVII Всесоюзном съезде по спектроскопии (Минск-1971);, i,li,lli,iv,v, VI Всесоюзных конференциях по голографии (Тбилиси-1972, Киев-1975, Ульяновсх-1978, Ереван-1982, Рига-1985, Витебск-1990), VI, VII, VIII, IX, X Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Минск-1972, Ташкент-1974. Тбилиси-1976, Ленинград-1978, Киев-1980), VIII. X, XV,XI,XIII, XVI Всесоюзных школах по голографии (Минск-1976, 1978, 1983, Ростов Великий-1979, Сочи-1981, Куйбышев-1985), III, IV, V Всесоюзных школах по оптической обработке информации (Рига-1980, Минск-1982, Киев-1984), Всесоюзных конференциях "Оптика лазеров" (Ленинград-1978, 1981, 1982, Санкт-Петербург-1993), I Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Ленинград-1988), VI и VIII Вавилонских конференциях по нелинейной оптике (Иоьосибирск-1979, I98S), I и II Всесоюзных конференциях "Обращение волнового фронта лазерного излучения в нелинейных средах" (Минск-1986, 1989), Международных конгрессах по прикладной голографии "Interkamera" (Praha-1978, 1981),

International Conference on Optioal Computing In Research and Development (Vieegrad-1977), 7th Conference on Quantum EleotrontoB and Nonlinear optioe (Poznan-1978), II И III Всесоюзных конференциях "Лазеры на основэ сложных органических соединений и их применение" (Душвнбе-1977, Ужгород-1980), 8Ш International Topical Meeting on Piiotoaooustio and Phototnermal Phenomena (Pointe-a-Pitre-1994), Ernst Abbe Conference (Jena-1987), Международной иколе-секшшре "Современные экспериментальные методы исследования процессов тепло- и массообмена" (Минск-1987), ICO-16 Satellite Conference on Active and Adaptive Optica (darohing-1993). International Conference on Holography, Correlation Optica and Recording Materials (ChemoTtsy-1993)t X7 Congress ICO "Optioe in oomplex systems" (Munchen-1990), CIiEO/Europe International Conferenoe (Amsterdam-1994).

Основные результата диссертационной работы изложены В 53 научных публикациях з отечественных и зарубежных изданиях и -и авторских свидетельствах. Список опубликованных работ приводен в конце автореферата.

Структура я объем дкссертвцгщ

Диссертация состоит из Введения, пяти глав, содержащих оригинальные результаты, Заключения и списка цитируемой литература, вклпчапцдго 249 наименований. Литературный обзор по обсуждаемым проблемам- дается в казздой главе в отдельности. Диссертация изложена на 244 страницах, содерэлт 80 рисунков и две таблицы.

Лячний вклад евтора