Введение к работе
Актуальность работы
Несмотря на целый ряд работ, посвященных исследованию характеристик четырехволновых преобразователей излучения, интерес к анализу качества обращения волнового фронта (ОВФ) такими преобразователями сохраняется. Прежде всего, это связано с применением четырехволновых преобразователей для коррекции фазовых искажений, которые возникают при распространении световых волн в различных неоднородных средах. Необходимо знать, приведет ли наличие в оптической системе такого четырехволнового преобразователя к компенсации искажений, вносимых в излучение неоднородной средой.
В число основных задач, в которых используется волна с ОВФ, входят: наведение лазерного излучения на мишень малых размеров для лазерного термоядерного синтеза, доставка излучения через турбулентную атмосферу и аберрационную оптику без ухудшения направленности. Кроме того, явление ОВФ находит широкое применение в нелинейной спектроскопии и виброинтерферометрии.
Четырехволновое взаимодействие - это нелинейный процесс, в котором взаимодействие трех волн (двух волн накачек и сигнальной волны) приводит к генерации четвертой волны (объектной). К ее возникновению могут привести различные свойства среды, ответственные за изменение комплексной диэлектрической проницаемости: нелинейная поляризуемость электронов, генерация свободных носителей, тепловой нагрев среды, насыщение резонансного перехода в поглощающей или усиливающей среде и другие. При взаимодействии излучения с реальной средой обычно несколько механизмов могут одновременно вносить заметный вклад в изменение комплексной диэлектрической проницаемости.
При четырехволновом взаимодействии в поглощающих средах, например в средах с резонансной нелинейностью, существенный вклад в обращенную волну может быть обусловлен наличием тепловой нелинейности. Учет нагрева среды поглощенным оптическим (лазерным) излучением приведет к неоднородному в пространстве изменению коэффициента преломления и, следовательно, к существенному влиянию этого изменения на пространственные и временные характеристики четырехволнового преобразователя излучения.
При практическом использовании четырехволновых преобразователей, обращающих волновой фронт, в системах коррекции фазовых искажений ключевым моментом является знание соответствия между комплексными амплитудами объектной и сигнальной волн. Как правило, анализ данного соответствия проводился в приближении малых коэффициентов отражения. Однако выполнены эксперименты, в которых коэффициент отражения существенно превышает единицу. При больших коэффициентах отражения существенное влияние на качество ОВФ может оказывать самодифракция волн накачки, перекачка энергии из сигнальной волны в объектную и наоборот.
Таким образом, представляет интерес изучение качества ОВФ четырех-волновым преобразователем на резонансной и тепловой нелинейностях при больших коэффициентах отражения; изучение временных характеристик четы-рехволнового преобразователя, нахождение соотношений, однозначно связывающих временные зависимости объектной и сигнальной волн.
Целью работы является исследование пространственных и временных характеристик четырехволновых преобразователей излучения на тепловой, на резонансной и тепловой нелинейностях при больших коэффициентах отражения.
Основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:
проанализировать зависимость качества обращения волнового фронта, коэффициента отражения от интенсивности волн накачки, установить связь между ними;
найти вид функции размытия точки четырехволнового преобразователя излучения на резонансной нелинейности с учетом расходимости одной из волн накачки;
получить аналитические выражения для временного отклика вырожденного четырехволнового преобразователя излучения на тепловой нелинейности с учетом толщины нелинейного слоя;
проанализировать временную зависимость качества обращения волнового фронта четырехволновыми преобразователями излучения на тепловой, резонансной и тепловой нелинейностях.
Научная новизна диссертационной работы определяется совокупностью полученных новых результатов.
получены зависимости коэффициента отражения и ширины полосы пространственных частот объектной волны от интенсивности волн накачки для вырожденного и квазивырожденного четырехволновых преобразователей излучения на тепловой, резонансной и тепловой нелинейностях в схемах со встречными и попутными волнами накачки; показано, что увеличение коэффициента отражения приводит к ухудшению качества обращения волнового фронта;
с использованием функции размытия точки установлена зависимость разрешающей способности четырехволнового преобразователя излучения на резонансной нелинейности от расходимости волны накачки;
для четырехволнового преобразователя излучения на тепловой нелинейности найдены зависимости ширины временного отклика от толщины нелинейной среды, пространственной частоты объектной волны, геометрии взаимодействия;
получены временные зависимости амплитуды объектной волны при че-тырехволновом взаимодействии на тепловой, резонансной и тепловой нелинейностях.
Практическая ценность проведенных исследований заключается в установлении однозначного соответствия между комплексными амплитудами сигнальной и объектной волн, что позволяет определить как минимальный размер неоднородностеи искажающей среды, так и минимальные временные парамет-
ры их изменений, которые могут быть скомпенсированы с использованием че-тырехволновых преобразователей излучения на резонансной и тепловой нели-нейностях. Анализ пространственных и временных характеристик таких четы-рехволновых преобразователей дает возможность решить вопрос о целесообразности их применения в системах нелинейной адаптивной оптики, в системах обработки и преобразования изображения. На защиту выносятся:
закономерности изменения амплитудных и пространственных характеристик вырожденных четырехволновых преобразователей излучения на тепловой, резонансной и тепловой нелинейностях от интенсивности волн накачки; связь между амплитудными и пространственными характеристиками;
результаты исследования пространственной селективности квазивырожденного четырехволнового преобразователя излучения на резонансной и тепловой нелинейностях при больших коэффициентах отражения;
выражение для временного отклика вырожденного четырехволнового преобразователя излучения на тепловой нелинейности с учетом толщины нелинейного слоя;
результаты анализа временной зависимости амплитуды объектной волны, генерируемой в процессе четырехволнового взаимодействия на резонансной и тепловой нелинейностях.
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 12 научных работах, в том числе в 8 статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, и 4 тезисов докладов.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на Международной XXVIII Школе-симпозиуме по голографии и когерентной оптике (Нижний Новгород, 2013); Международной конференции «Фундаментальные проблемы оптики-2012» (Санкт-Петербург, 2012); Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» (Самара, 2011); VI-X Самарском региональном конкурсе-конференции научных работ студентов и молодых исследователей по оптике и лазерной физике (Самара, 2009-2012).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (117 наименований), изложена на 114 страницах, содержит 29 рисунков.
