Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА І. ЗКСПЕРЖІЕНТАЛБНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ВОЛНОВОГО ФРОНТА СПЕКЛ-ПОЛЕЙ 9
1.1. Введение 9
1.2. Теория 15
1.3. Регистрация дислокаций волнового фронта 23
1.4. Экспериментальное исследование плотности дислокаций волнового фронта спекл-полей.. 24
1.5. Обсувдение результатов 41
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ, И СЕЛЕКТИ РУЮЩИХ СВОЙСТВ ВРМБ-ГОЛОГРАММ 43
2.1. Введение , 43
2.2. Теория 53
2.3 Описание экспериментальной установки 58
2.4. Экспериментальное исследование спектральной селективности ВРМБ-голограмм 65
2.5. Экспериментальное исследование угловой селективности ВРМБ-голограмм ., 73
2,6. Дифракционная эффективность и шумы
толстослойных просветных амплитудно-фазовых голограмм, записанных спекл-полями... 77 ГЛАВА 3. ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ СЕЛЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ОВФ ПРИ ЫРЁХВОЛНОВОМ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ 87
3.1. Введение , 87
3.2. Теоретическое рассмотрение поляризационных свойств 89
3.3. Экспериментальная реализация полного пространственно-поляризационного ОВФ
при четырехволновом взаимодействии 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 102
ЛИТЕРАТУРА 104
- Регистрация дислокаций волнового фронта
- Описание экспериментальной установки
- Теоретическое рассмотрение поляризационных свойств
Введение к работе
Явление обращения волнового фронта (ОВФ) света привлекает в последнее время внимание многих исследователей. Интенсивные исследования этого явления обусловлены чрезвычайно привлекательными возможными приложениями ОВФ для решения целого ряда научных и технических задач. В свою очередь широкое применение явления ОВФ в различных областях науки, техники и технологии ставит все новые проблемы перед исследователями, стимулируя, тем самым, дальнейшее узучение этого явления как в экспериментальном, так и в теоретическом планах.
В настоящее время известны следующие способы обращения волнового фронта:
ОВФ статическими голограммами [1-4]
ОВФ при четырехволновом взаимодействии (0ВФ-4ВВ) (методом динамической голографии) [5-22]
ОВФ при вынужденных рассеяниях (ОВФ-ВР) [23-34]
ОВФ при трехволновом взаимодействии 35-37
ОВФ на поверхности [38-40]
ОВФ при суперлюминисценции [41]
ОВФ методом фотонного эха [42]
ОВФ методами адаптивной оптики [75,76]
Яелєниє ОВФ основано на обратимости во времени законов распространения световых волн. Действительно, в оптике линейных прозрачных сред справедлив принцип временной обратимости: уравнения Максвелла инвариантны относительно замены знака времени. Поэтому для любого решения волнового уравнения, например для волны прошедшей через неоднородную среду, существует обращенное решение того же уравнения. На языке комплексной амплитуды смена знака времени эквивалентна замене комплексной амплитуды на комплексно-сопряженную, поэтому обращенную во времени волну называют также фазово-сопряженной.
Самые интересные приложения явления ОВФ связаны со свойством обращенной волны автоматически восстанавливать свою структуру при обратном проходе через те же оптические неоднородности. Рассмотрим некоторые из приложений ОВФ.
Важнейшей задачей лазерной техники является создание мощных высоконаправленных пучков. Для этой цели часто используются усилительные каскады. Однако, существующие усилители вносят в усиливаемый пучок заметные фазовые искажения и, как следствие, увеличивают его расходимость. Явление ОВФ позволяет эффективно решить эту задачу. Действительно, если пучок, прошедший через усилитель, обратить, то при обратном проходе искажения лучка, связанные с неоднородностями усилителя, компенсируются и пучок восстановит свою расходимость до исходной [43 ] . Такая двух-проходная схема усилителя с обращением позволяет получать пучки большой мощности и с высокой направленностью, другая возможность получения мощных высоконаправленных пучков - использование резонаторов с ОВФ-зеркалом [44-47] .
В некоторых задачах (например, в задаче лазерного термоядерного синтеза) требуется сфокусировать мощный световой импульс на мишень малых размеров. Решение этой задачи обычными способами предъявляет очень жесткие требования к юстировке лазерной системы, ее стабильности и к качеству оптических элементов. Использование же явления ОВФ позволяет устранить эти трудности. Пусть импульс вспомогательного лазера умеренной мощности освещает мишень. Часть отраженного мишенью излучения по- падает в апертуру силового лазера, проходит усилитель и попадает на устройство ОВФ. Обращенная волна повторно усиливаясь на обратном проходе автоматически компенсирует искажения, связанные как с неоднородностями усилителя, так и с несовершенством изготовления и юстировки фокусирущей системы. В результате излучение доставляется точно на мишень так, как-будто ни в усилителе, ни в фокусирующей системе не существовало никаких погрешностей. Более того, при достаточно широком пучке вспомогательного лазера нет необходимости знать заранее положение мишени: требуется лишь, чтобы освещенная мишень находилась в пределах угла видения ОВФ-системы. Рассмотренная схема носит название ОВФ-самонаведения [48-51] .
Схема с ОВФ-самонаведением может быть использована и в фотолитографии для создания на заданной поверхности в лучах мощного лазера изображения сложного поперечного распределения интенсивности с высоким пространственным разрешением.
Из других приложений явления ОВФ следует отметить компенсацию искажений изображения в световодах и компенсацию временного расплывания импульсов в диспергирующих средах.
Однако, во всех вышеперечисленных задачах, использующих явление ОВФ, важную роль играет качество работы ОВФ-системы. В свою очередь во многих случаях качество работы ОВФ-системы зависит от состояния поляризации, частотного и углового спектра обращаемого излучения. Изучение качества и эффективности обращения ОВФ-систем на основе динамических голограмм, а также исследование дислокаций волнового фронта в спекл-полях являются целью настоящей работы.
В настоящей работе получены следующие результаты:
Зарегистрированы дислокации волнового фронта в спекл-полях и измерена их плотность в зависимости от различных параметров спекл-поля.
Теоретически и экспериментально исследованы дифракционная эффективность, качество обращения и селектирующие свойства голограмм, записанных на механизме нелинейности типа вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ),
Теоретически исследованы эффективность и шумы толстослойных просветных амплитудно-фазовых голограмм, записанных спекл-полями.
Экспериментально реализовано полное пространственно-поляризационное обращение волнового фронта при четырехволновом вз аимоде йствии.
Содержание диссертации разбито на три главы. Первый параграф каждой главы частично или полностью посвящается обзору литературы и определению конкретного круга вопросов, рассматриваемых в главе. Заканчиваются главы перечнем основных результатов.
Первая глава посвящена экспериментальному обнаружению дислокаций волнового фронта в пространственно-неоднородных световых полях, а также измерению плотности дислокаций волнового фронта в спекл-полях.
Во второй главе проведен теоретический анализ и описан эксперимент по изучению эффективности и селектирующих свойств ВРМБ-голограмм. Здесь также произведен расчет эффективности и шумов толстослойных амплитудно-фазовых просветных голограмм.
В третьей главе описан эксперимент по реализации полного пространственно-поляризационного обращения волнового фронта при четырехволновом взаимодействии.
Основные результаты диссертации опубликованы в экспериментальной части работ [80-83, 89, 129 ] , а также в работах [ I09-III ] и докладывались на УІ Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере, Томск, 1981 г., на ХІУ Всесоюзной школе по когерентной оптике и голографии, Долгопрудный, 1982 г., на 27, 28, 29 научных конференциях ЖГИ и на семинарах ряда институтов.
Регистрация дислокаций волнового фронта
Встает вопрос о возможности экспериментальной регистрации нулей амплитуды и соответствующих им дислокаций волнового фронта. Обычные методы измерения интенсивности поля для этого не подходят, поскольку имеют ограниченную точность и по этой причине не позволяют различать точки с нулевой и с очень малой интенсивностью.
Для визуализации дислокаций волнового фронта (и нулей амплитуды) мы использовали особенности поведения волнового фронта вблизи линии нуля. Как было показано, вблизи линии ну ля медленная комплексная амплитуда представима в виде
При сложении поля такого вида с плоской опорной волной 0 = В Є у/ распределение интенсивности имеет вид 24 Здесь Г , ip - полярные координаты; для простоты расчетов было положено Ах = Ац = & = і У = О . На рис. За изображена интерференционная картина, определяемая соотношением (І.І7). Сплошными линиями показаны горбы интерференционных полос, штриховыми - их ложбины. Видно, что дислокации вида (1.7) на интерферограмме отвечает точка возникновения интерференционной полосы. На рис.36 для сравнения приведен участок интерфе-рограммы спекл-неоднородного лазерного пучка,содеркащий дислокацию волнового фронта с плоской волной в качестве опорной. При интерференции двух полей, не имеющих дислокаций волнового фронта (нулей интенсивности), интерференционные полосы непрерывны (рис.Зв).
Описание экспериментальной установки
Возможно также интерференцией волн Е2 ($) и Е записать отражательную голограмму (рис. 136), а считывание голограммы производить волной В І
Однако наибольший интерес представляет возможность записи и считывания голограглм в динамическом режиме, т.е. процесс записи и считывания голограммы производить непосредственно в реальном масштабе времени. Роль среды для динамической голографии могут играть просветляющиеся или затемняющиеся красители, фотохромные стекла, и вообще любые среды, у которых комплексная диэлектрическая проницаемость меняется под действием излучения непосредственно во время экспозиции. К ним относятся среды с кубичной оптической нелинейностью.
Для осуществления ОВФ методом динамической голографии в нелинейную среду с кубичным откликом поляризации Р на поле В встречные плоские опорные волны (EL е. + Ег є ) е и подлежащая обращению сигнальная волна Е2 (R ) є (см. рис.14). Тогда в среде на нелинейности третьего порядка $ 3 среди прочих наведется нелинейная поляризация вида
Теоретическое рассмотрение поляризационных свойств
Как уже отмечалось, большинство приложений ОВФ связаны с тем, что обращенный пучок способен скомпенсировать оптические неоднородности, исказившие пространственную структуру сигнального пучка. Однако, если сигнальный и обращенный пучки распространяются в поляризационно-активной (например, двулучепрелом-ляющей) среде, такой, как активный элемент неодимового усилителя при неоднородной накачке, то для компенсации ее неодно-родностей недостаточно простого обращения пространственной структуры сигнала. Требуется обратить и его состояние поляризации. Кроме того в ряде приложений необходимо получать обращенные пучки с поляризацией, отличающейся от поляризации сигнального пучка (например, с целью оптической развязки).
ОВФ деполяризованного в пространстве излучения при вынужденных рассеяниях теоретически исследовалось в работе 126 Здесь было показано, что полное пространственно-поляризационное ОВФ при ВР невозможно без специальных устройств, трансформирующих деполяризованный в пространстве пучок перед его обращением в полностью поляризованный. Выводы этой работы были подтверждены в экспериментальных работах [26,27]. ,
ОВФ деполяризованного излучения при четырехволновом взаимодействии большими (0ВФ-4ВВ) было теоретически исследовано в работе [93 J . Здесь было показано, что процесс 0ВФ-4ВВ обладает поляризационной селективностью (коэффициент отражешія сигнальной волны зависит от ее состояния поляризации), причем поляризационная селективность определяется не только свойствами тензора кубичной нелинейности среды, но и геометрией эксперимента. В этой же работе авторы указали некоторые схемы, позволяющие реализовать полное пространственно-поляризационное обращение .
В работе [127 J была экспериментально зарегистрирована поляризационная селективность процесса 0ВФ-4ВВ. Линейно-поляризованное излучение СС -лазера служило волнами накачки в образце германия. Сигнальный пучок, вводимый в германий под небольшим углом к попутной опорной волне (продольная схема), мог иметь различные состояния поляризации. В эксперименте было получено, что коэффициент отражения сигнальной волны зависит от состояния ее поляризации. Результаты эксперимента согласовались с предсказаниями, следующими из модели чисто электронной поляризуемости изотропной среды.
В работе [128] авторы, используя поляризованные линейно и ортогонально по отношению друг к другу опорные волны, получали обращенную волну с плоскостью поляризации повернутой на 90 по отношению к плоскости поляризации сигнальной волны. Помимо этого указанную схему авторы использовали для определения относительного вклада отражательных и просветных объемных решеток в процесс 0ВФ-4ВВ.
В экспериментальной работе [129] в померечной многоходовой схеме на ориентационной нелинейности сероуглерода было реализовано полное пространственно-поляризационное ОВФ. Подробно этот эксперимент будет описан в третьем параграфе данной главы
В работе [130] авторы также осуществили полное пространственно-поляризационное ОВФ на ориентанионной нелинейности сероуглерода, но в продольной схеме, используя циркулярно поляризованные опорные волны ортогональные друг к другу. Как показано в работе [93] , продольная схема обеспечивает полное ОВФ лишь в указанном случае.
Авторы работы [131J осуществили полное ОВФ в непрерывном режиме, используя излучение оргонового лазера. 0ВФ-4ВВ осуществлялось в продольной схеме с использованием в качестве нелинейного вещества активированного неодимом стекла.
В работе [132] теоретически исследовалось ОВФ в электрооптических кристаллах. Показано, что ОВФ может происходить с изменением плоскости поляризации.
В работах [133, 134] исследовались поляризационные характеристики обращенной волны, получаемой при вырожденном че-тырехволновом взаимодействии в резонансных газах в зависимости от поляризации опорных волн.
