Введение к работе
Актуальность темы. В последнее десятилетие в задачах взаимодействия оптического излучения с нелинейной средой основной интерес все чаще связан с трансформацией пространственной структуры светового поля в плоскости, ортогональной к направлению распространения волны. За новой областью исследовании закрепилось название поперечные эффекты. Первоначально рассматривавшиеся как нежелательные и трудно контролируемые явления, поперечные эффекты в нелинейной оптике представляют на сегодняшний день самостоятельное динамично развивающееся направление. Наиболее многообразны поперечные структуры и неустойчивости в шир око апертурних оптических системах, для которых влияние граничных условий на пространственное распределение поля в поперечной плоскости не является существенным. Растущий интерес к подобным системам продиктован рядом обстоятельств.
Формирование оптических структур в широкоапертурных системах является типичным примером процессов самоорганизации в пространственно-распределенных неравновесных системах. Явления пространственной самоорганизации являются в настоящее время объектом интенсивных исследований в гидродинамике, химии, биологии и ряде других отраслей современной науки. С другой стороны, формирование световых полей с заданной пространственной структурой необходимо для многих приложений. В частности, большой практический интерес представляет задача адаптивной компенсации фазовых искажений с использованием нелинейно-оптических систем. И, наконец, исследования в области поперечных эффектов напрямую связаны с оптической реализацией систем параллельной обработки информации.
Среди множества существующих в настоящее время моделей широкоапертурных систем можно выделить пассивные нелинейные системы с двумерной оптической обратной связью. Основные преимущества систем этого класса связаны с уникальными возможностями для преобразования оптического поля в контуре двумерной обратной связи и, как следствие, управления динамикой оптической системы в целом. Фактически, можно говорить о создании систем с заданным сценарием динамического поведения.
Вместе с тем, в настоящее время потенциальные возможности опти-іеских систем с двумерной обратной связью далеко не полностью иссле-
дованы и реализованы. Не существует достаточно полной теории управления пространственной динамикой в подобных системах. Недостаточно развит аппарат математического исследования нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих динамические процессы в системах с оптической обратной связью.
Цель настоящей работы состоит в развитии и теоретическом обосновании методов управления пространственной динамикой нелинейных оптических систем в двумерной обратной связью. Работа направлена на аналитическое и численное исследование влияния различных алгоритмов формирования управляющего распределения интенсивности на динамику подобных систем.
Научная новизна
-
Впервые теоретически исследован эффект компенсации фазовых искажений в системе с пространственной фильтрацией в контуре двумерной дифракционной обратной связи. Получены аналитические результаты для преобразования статистических характеристик входного поля.
-
Впервые предложена и проанализирована оптическая система, для которой выбором внешних управляющих параметров можно реализовать конкуренцию типа Победитель-Получает-Все между пространственными Фурье гармониками двумерного распределения фазы.
-
Обнаружены и качественно объяснены додекагональные оптические структуры в системе типа керровский слой с зеркалом обратной связи. Рассмотрен механизм резонансного взаимодействия спектральных компонент с существенно различным пространственным периодом.
-
Впервые предложены и исследованы двухкомпонетные системы на базе нелинейного интерферометра с оптической обратной связью, в том числе двухкомпонентные системы с нелокальными пространственными взаимодействиями.
Практическая ценность работы
-
Полученные в работе результаты создают теоретическую основу для создания систем, способных генерировать световые поля с заданной пространственно-временной структурой. Развитие методов управления пространственной динамикой распределенных нелинейных систем представляет интерес с точки зрения общей теории самоорганизации.
-
Предложенная в работе нелинейная система компенсации фазовых искажений может найти применение для решения широкого спектра задач адаптивной оптики: видение через турбулентную атмосферу, компенса-
дня фазовых искажений в мощных многокаскадных усилительных системах и др.
-
Обнаруженный режим конкуренции типа Победитель-Получаст-Все между пространственными гармониками двумерного распределения фазы в нелинейном интерферометре может быть положен в основ)' создания оптического процессора для обработки изображений.
-
Показана возможность аналогового оптического моделирования процессов в двухкомдоыентных системах, описывающихся уравнениями типа "реакция-диффузия".
На защиту выносятся следующие положения
-
Нелинейная оптическая система с пространственной фильтрацией в контуре двумерной дифракционной обратной связи может быть использована для подавления фазовых искажений и улучшения когерентных свойств световых полей.
-
Использование интерференции между объектной и модулированной опорной волной в системе с двумерной дифракционной обратной связью позволяет реализовать конкурентную динамику взаимодейтвля пространственных Фурье гармоник распределения фазы. При определенных значениях внешних управляющих параметров конкуренция подчиняется принципу Победитель-Получает-Все. Зависимость ориентации стационарной структуры от начальных условий может быть положена в основу оптического распознавания образов.
-
Кооперативное взаимодействие Фурье компонент с существенно различным пространственным периодом двумерного распределения фазы в системе типа керровскнй слой с зеркалом обратной связи приводит к возникновению структур нового типа—оптических додекагонов.
-
Двухкомпонгнтная оптическая система, объединяющая два элементарных блока на основе нелинейного интерферометра с обратной связью, является прямым аналогом спнергетических систем типа "реакция-диффузия". Изменение параметров оптической системы позволяет воспроизвести основные динамические явления пространственной самоорганизации двухкомпонентных систем: стационарные диссипативные структуры, автоколебания, бегущие импульсы.
-
Нелокальные поперечные взаимодействия, вызванные поворотом поля в двухкомпонентнои системе, приводят к возникновению автоволновой неустойчивости нового типа—сдвинутых по фазе оптических ревербераторов.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на XIV Международной конференции по когерентной п нелинейной оптике (С.-Петербург, 1991), Международной конференции по оптическому образованию (С.-Петербург, 1991). Результаты работы неоднократно обсуждались на семинарах кафедры Общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура п объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Общий объем диссертации составляет 102 страницы и включает в себя 37 рисунков и список литературы из 94 наименований.
