Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время в оптике быстро развивается направление, связанное с исследованием пространственных эффектов в системах с нелинейной средой, охваченной контуром обратной связи. Появление новых нелинейных материалов л гибридных приборов типа жидкокристаллических оптически управляемых модуляторов (ЖК-ПВМС), обладающих высоким эффективным коэффициентом нелинейности, сделало возможным наблюдение таких эффектов при достаточно малых мощностях источников излучения.
Наиболее известны системы с нелинейностью керровского типа, в которых нелинейный фазовый набег пропорционален интенсивности падающего излучения. При прохождении через такую нелинейную среду излучение приобретает дополнительный пространственно неоднородный фазовый набег. Это распределение фазы трансформирутся в контуре обратной связи в распределение интенсивности и в свою очередь воздействует на нелинейную среду. При выполнении определенных условий, в подобных системах возбуждаются динамические пространственно-временные структуры. Наиболее известной схемой этого класса является конфигурация из тонкого слоя нелинейной среды керровского типа с зеркалом обратной связи, в которой преобразование фаза-интенсивность осуществляется за счет дифракции. В такой схеме было теоретически предсказано и экспериментально обнаружено формирование гексагональных пространственных структур.
В системах на основе нелинейного интерферометра с оптической обратной связью преобразование фаза-интенсивность осуществляется при интерференции предметной и опорных волн. Передаточная функция разомкнутой системы при этом существенно отличается от предыдущего (дифракционного) случая. В этом случае становится возможным . наблюдение эффекта компенсации фазовых искажений, который может найти применение для решения широкого круга задач адаптивной оптики.
В контур оптической обратной связи интерферометра можно ввести различные пространственные преобразования поля, например, поворот. Эта модификация позволяет наблюдать огромное многообразие ротационных структур (ревербераторов). Являясь некоторым аналогом нелинейных систем с временным запаздыванием сигнала в контуре обратной связи, такие системы обладают новыми весьма существенными особенностями, вытекающими из двумерного характера нелинейных взаимодействий. Поэтому изучение динамики этих систем представляет значительный практический и фундаментальный интерес.
Вместе с тем, в настоящее время нет достаточно полного
экспериментального обоснования теоретических моделей,
используемых для описания динамики нелинейных систем с
оптической обратной связью. Разработанные методы
теоретического анализа этих моделей не позволяют описать многие эффекты, наблюдаемые в реальных системах. Поэтому возникает необходимость в более детальном экспериментальном и теоретическом исследовании указанных выше систем и явлений.
Цель настоящей работы состоит в экспериментальном и
теоретическом исследовании динамики нелинейных
пространственных эффектов в системах с распределенной оптической обратной связью. Работа направлена на экспериментальное обоснование физических моделей таких систем и развитие численных и теоретических методов их анализа.
В работе экспериментально реализована система адаптивной компенсации фазовых искажений на основе нелинейного интерферометра с оптической обратной связью. Аналитическими и численными методами исследована эффективность коррекции фазовых искажений в системах такого типа.
Экспериментально обнаружено и исследовано возбуждение ротационных структур (ревербераторов) в нелинейной системе с поворотом поля в контуре оптической обратной связи. Результаты численного и теоретического анализа позволяют количественно описать поведение ревербераторов, наблюдаемое в эксперименте.
Научная новизна _..
1. Впервые экспериментально реализована система коррекции
фазовых искажений на основе нелинейного интерферометра с
чисто оптической обратной связью. В качестве корректора
волнового фронта использован ЖК-ПВМС. Исследована
эффективность подавления фазовых искажений в такой системе.
Показана высокая эффективность подавления фазовых искажений
с пространственным спектром близким к спектру атмосферной
турбулентности (Колмогоровскап модель).
2. Впервые экспериментально реализованы одномерные
ротационные структуры в нелинейном интерферометре с
поворотом поля в контуре оптической обратной связи. Проведено
количественное экпериментальное исследование основных
характеристик этих структур при различных параметрах системы.
Впервые обнаружено гистерезисное поведение ротационных
структур при изменении угла поворота поля в контуре обратной
связи. Развиты методы теоретического анализа математической
модели системы, основанные на редукции исходного уравнения в
частных производных к системе обыкновенных нелинейных
дифференциальных уравнений. Впервые показано, что модель
системы, основанная на релаксационно-диффузионном уравнении
со сдвинутым пространственным аргументом, хорошо
количественно описывает характеристики ротационных структур.
Практическая ценность работы.
1. Впервые экспериментально продемонстрирована возможность
высокоразрешающей компенсации фазовых искажений в
нелинейных системах с чисто оптическим контуром обратной связи
и ЖК-ПВМС в качестве корректора фазовых искажений. Системы
такого типа могут найти применение для решения широкого класса
задач адаптивной оптики: наблюдение сквозь турбулентную
атмосферу, коррекция аберраций оптических систем,
формирование лазерных пучков с предельно низкой рас
ходимостью и т.д.
2. Развитые теоретические и численные методы анализа
пространственно-временной динамики систем с оптической
обратной связью позволяют с достаточной для практических
приложений точностью предсказать поведение таких систем. Так,
для систем компенсации фазовых искажений были получены соотношения, связывающие степень коррекции этих искажений с параметрами системы. Для систем с поворотом поля в контуре обратной связи были разработаны методы анализа соответствующей математической модели, позволяющие предсказать характеристики возбуждающихся в системе ротационных структур (ревербераторов). В частности, были найдены порог возбуждения и амплитуда ревербераторов, ширина области гистерезиса. Полученные результаты могут быть использованы при создании новых типов адаптивных систем с оптическим контуром управления и для анализа их устойчивости в случае пространственных искажений изображения в контуре обратной связи.
На защиту выносятся следующие положения.
1. Жидкокристаллические оптически управляемые модуляторы
фазы (ЖК-ПВМС) могут эффективно использоваться для
моделирования нелинейных пространственно-временных
эффектов в системах с оптической обратной связью.
-
В нелинейных широкоапертурных интерферометрах с чисто оптическим контуром двумерной обратной связи возможно подавление фазовых искажений. В результате коррекции волнового фронта для фазовых искажений с Колмогоровским пространственным спектром интенсивность в нулевом порядке дифракции возрастает более чем на порядок.
-
Оптимизация параметров оптической системы на основе развитой теории позволяет уменьшить остаточную ошибку компенсации фазовых искажений от двух до пяти раз по сравнению с базовой конфигурацией системы.
-
В нелинейном интерферометре с поворотом изображения в контуре оптической обратной связи экспериментально наблюдается возбуждение многолепестковых вращающихся структур (ревербераторов). Пространственный период и скорость вращения этих структур зависит от угла поворота
поля в контуре обратной связи.. При изменении угла поворота характерным является гистерезисное поведение ревербераторов. 5. Аналитический подход, основанный на редукции исходного уравнения в частных производных со сдвинутым пространственным аргументом к системе обыкновенных дифференциальных уравнений, позволяет с хорошей точностью (среднеквадратичная ошибка не более 5-10%) описать наблюдаемое в экспериментах поведение одномерных ревербераторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XX Всесоюзной школе по когерентной оптике и голографии (Черновцы 1989), V Координационном' семинаре "Исследование структуры, физических свойств и энергетики биологически активных молекул" (Кошице-Прага, 1990), IV Двухстороннем США-СССР симпозиуме по лазерной оптике твердого тела (Ирвин, Калифорния, США 1990), XIV Международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Санкт-Петербург 1991), на научной конференции "Ломоносовские чтения" (Москва, 1994), на семинарах кафедры Общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 - тезисы докладов. Список работ приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 108 страниц и включает в себя 32 рисунка и список литературы из 92 наименований.
