Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 13
1.1 Оптические голографические интерферометры 13
1.2 Связь голографи ческих и спектроскопических характеристик нелинейных сред 15
1.3 Связь наводимых изменений в показателе преломления с изменениями в спектре поглощения 17
1.4 Структура и функции бактериородопсина 22
1.5 Использование бактериородопсина в науке и технике 25
1.6 Методы диагностики нелинейных сред ...29
1.7 Запись динамических решеток в нелинейном покрытии планарного волновода 34
2. Экспериментальное исследование светоиндуцированных изменений в спектре поглощения бактериородопсина D96N 38
2.1 Регистрация изменений в спектре поглощения бактериородопсина, при последовательном действии излучений на длинах волн 633 и441нм 39
2.2 Изменения в поглощении и в полуширинах полос поглощения, в зависимости от интенсивности возбуждающих излучений 50
2.3 Релаксация молекул БР D96N и точность воспроизведения исходного спектра поглощения после возбуждения 55
2.4 Регистрация изменений в спектре поглощения БР D96N, при одновременном действии излучений на длинах волн 633и441нм 58
Выводы по главе 2 67
3. Анализ дифракционной эффективности динамических решеток, формируемых в бактериородопсине 68
3.1 Использование дисперсионных соотношений Крамерса-Кронига в голографии 68
3.2 Расчет спектрального распределения дифракционной эффективности динамической решетки, формируемой BEPD96N 79
3.3 Запись-считывание динамических решеток в БР D96N 89
3.4 Определение соотношения амплитудного и фазового вкладов в дифракционную эффективность методом фазомодулированных пучков 97
3.5 Синтетические аналоги бактериородопсина 115
Выводы по главе 3 126
4. Оптически управляемая запись динамических решеток в нелинейно-оптическом покрытии планарного волновода 127
4.1 Расчет профиля показателя преломления планарного волновода 129
4.2 Запись голограмм В и М-типа в светочувствительном покрытии планарного волновода, содержащем бактериородопсин 144
4.3 Оптически управляемый энергообмен интерферирующих волноводных мод 149
Выводы по главе 4 162
Заключение 163
Список цитируемой литературы 165
Благодарности 184
- Связь наводимых изменений в показателе преломления с изменениями в спектре поглощения
- Изменения в поглощении и в полуширинах полос поглощения, в зависимости от интенсивности возбуждающих излучений
- Определение соотношения амплитудного и фазового вкладов в дифракционную эффективность методом фазомодулированных пучков
- Запись голограмм В и М-типа в светочувствительном покрытии планарного волновода, содержащем бактериородопсин
Введение к работе
Развитие когерентных оптических систем связи и обработки оптической информации является бурно развивающейся областью современной оптоэлектроники. Использование в таких системах оптических голографи-ческих интерферометров (ГИ) в сочетании с методами динамической голо-графической интерферометрии представляет собой весьма перспективное направление. Принципы работы гол графических интерферометров, используемых в системах связи и обработки информации, связаны в основном с оптическим гетеродинированием сигнального и опорного световых пучков и последующим преобразованием фазовой, частотной или поляризационной модуляции в модуляцию интенсивностей на входе фотоприемника.
Серьезной проблемой при создании чувствительных интерферометров для регистрации высокочастотных сигналов фазовой модуляции (ФМ) световых пучков является обеспечение надежной работы интерферометра в реальных условиях, то есть в условиях неизбежных помех, приводящих к флуктуациям выходного сигнала. Источниками таких помех могут быть колебания оптических параметров среды на трассе распространения зондирующего пучка, медленные смещения механических элементов конструкции интерферометра - все, что обусловливает нестабильность положения рабочей точки интерферометра, определяемой средней разностью фаз между пучками [1]. Подавление таких помех может быть осуществлено с помощью адаптивных электромеханических систем стабилизации оптических длин плечей интерферометра [2]. Несмотря на значительный прогресс в создании подобных адаптивных интерферометров, позволяющих реализовать высокую чувствительность измерений малых амплитуд ультразвуковых вибраций, такой способ фильтрации низкочастотных помех выходного сигнала характеризуется сложностью систем электронной автопод- стройки, их ограниченным динамическим диапазоном, необходимостью применения многоканальных систем при работе со спекл-неоднородными световыми пучками, обладающими большим пространственно-временным спектром фазовых флуктуации.
Альтернативным способом адаптивной стабилизации рабочей точки интерферометра является использование динамических голографических решеток в качестве смесителей пучков [3,4,5]. Основное преимущество таких решеток для регистрации сигналов ФМ состоит в том, что медленные смещения интерференционной картины пучков, обусловленные случайными флуктуациями оптической разности фаз, сопровождаются перезаписью динамической решетки, обеспечивая адаптивную фильтрацию низкочастотных помех.
Нелинейные оптические материалы, используемые в адаптивных голографических интерферометрах, должны обладать высокой световой чувствительностью и разрешающей способностью, малой инерционностью реверсивного фотоотклика, стабильностью оптических свойств, низкой себестоимостью. В настоящее время известно много сред различной природы, в той или иной степени удовлетворяющих указанным требованиям. Это фоторефрактивные кристаллы, органические красители, стекла, био-фотополимеры (фотосинтетические реакционные центры, ДНК, белки) и т. д. Широкий выбор материалов пригодных для использования в когерентных оптических информационных системах, инициировал поиск и разработку таких методов диагностики и управления параметрами нелинейных сред, которые позволили бы прогнозировать и оптимизировать работу лазерных интерферометров.
В настоящей диссертации рассматриваются две методики диагностики нелинейных сред. Первая основана на регистрации дифференциальных (разностных) спектров поглощения (ДСП), которые позволяют рассчитать спектральные распределения дифракционной эффективности динам иче- ских решеток и ее амплитудно-фазовые составляющие, параметры насыщения, чувствительность и т.п. В основе второй методики диагностики лежит оптический голографический интерферометр, который фактически решает обратную задачу - определения параметров среды по результатам самодифракции фазомодулированных световых пучков.
Эти методы рассматривались в диссертации на примере модельной нелинейной светочувствительной среды, содержащей молекулы бактерио-родопсина (БР) [6,7]. На сегодняшний день БР представляет собой хорошо изученный материал для голографической записи в видимом диапазоне спектра. Являясь типичным реверсивным фоточувствительным материалом со спектрально разделенными полосами поглощения, БР позволяет реализовать чисто оптическое управление голографической записью. Однако вопрос о возможности прогнозирования голографических характеристик БР по его ДСП до сих пор оставался открытым, прежде всего, из-за достаточно сложного характера фотоцикла и быстро достигаемого насыщения среды. Кроме того, работы, посвященные оптическому управлению голографической записью в БР фазомодулированными пучками, выполнялись преимущественно для случая объемной самодифракции световых пучков. В то же время актуальным с научной и практической точек зрения является само дифракция каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с фоторефрактивными покрытиями. Исследование такой геометрии оптического смепіения каналируемых мод, проведенное в диссертации, демонстрирует новые потенциальные возможности применения сред, содержащих БР, в динамической голографической интерферометрии.
В связи с этим целью настоящей работы являлось исследование физических процессов, определяющих возможность прогнозирования, диагностики и управления параметрами динамических голографических решеток, формируемых в процессе самодифракции световых пучков в ревер- сивной фоточувствительной среде на основе БР, в том числе используемой в качестве покрытия планарного оптического волновода.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд экспериментальных и теоретических задач:
Экспериментальное исследование ДСП нелинейных материалов на основе БР с различным соотношением концентраций молекул в trans- и си-состояниях.
Сопоставление расчетных (по данным ДСП) и экспериментальных значений дифракционной эффективности амплитудно-фазовых решеток в нелинейных средах, содержащих БР, в широком диапазоне интенсивно-стей записывающих и управляющих световых пучков.
Теоретический анализ и экспериментальное исследование эффектов самодифракции каналируемых световых пучков в планарных оптических волноводах с реверсивными фоточувствительными покрытиями.
Изучение эффективности оптического управления параметрами динамических голографических решеток, формируемых в реверсивном светочувствительном покрытии на основе БР.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Первая глава представляет собой обзор литературы. В начале этой главы рассматриваются работы, посвященные оптическим голографиче-ским интерферометрам их особенностям и практической значимости. Затрагиваются вопросы определения чувствительности таких интерферометров, проблема стабилизации рабочей точки ГИ, фильтрации низкочастотных помех. Отмечается, что весьма перспективным методом стабилизации рабочей точки является использование нелинейных свегочувствительных сред в качестве смесителей фазомодулированных пучков. При этом, любые изменения начальной разности фаз двух интерферирующих пучков приводят к простой перезаписи динамической решетки в такой среде. В связи с этим, далее рассматриваются работы посвященные использованию различных сред для записи динамических светоиндуцированных решеток, а также методы прогнозирования их дифракционных свойств. Останавливаясь на модельной среде, используемой в настоящей диссертации — бактериро-допсине, подробно рассмотрены вопросы, связанные со структурой и функцией этих белковых молекул. После чего подробно рассматриваются работы посвященные методам диагностики фотоотклика нелинейных сред: методу Z-скан и методу фазомодулированных пучков, широко используемых в настоящее время. При этом отмечается их общий недостаток - диагностика фотоотклика происходит на фиксированной длине волны. Вместе с этим обсуждаются также работы в которых предприняты попытки диагностики нелинейных сред в широком спектральном диапазоне. Однако многие из них ограничиваются лишь формальным применением разностных соотношений Крамерса - Крони га без указаний на какие-либо особенности расчета. Как показано в настоящей диссертации одной из особенностей применения таких соотношений является учет степени насыщения среды, которое может значительно искажать профиль голографической решетки.
Связь наводимых изменений в показателе преломления с изменениями в спектре поглощения
Одним из актуальных направлений современной оптоэлектроники является совершенствование оптических голо графических интерферометров (ОГИ), осуществляющих регистрацию сигналов фазовой, поляризационной или частотной модуляции. Бесконтактный принцип интерференционных измерений, модульность конструкций, возможность построения многокоординатных измерительных систем, наличие связи с компьютером — все это позволяет современным лазерным интерферометрам осуществлять не только измерительные функции, но и решать задачи управления и контроля в реальном времени.
Характерной чертой таких ОГИ является высокая пороговая чувствительность измерения фазовой модуляции ( 10 9 рад(Вт/Гц)1/2), что обусловливает их использование также при решении типичных задач оптической интерферометрии, таких как стабилизация параметров когерентного излучения и обеспечение эффективного гетеродинирования световых пучков [8,9].
Одной из специфических задач микрофазометрии является адаптивная локальная стабилизация рабочей точки оптического интерферометра, которая определяется средним фазовым сдвигом между пучками, обеспечивающим максимальную крутизну преобразования сигнала ФМ. В традиционных схемах смешения пучков стабилизация рабочей точки осуществляется электромеханическим корректорами или многоканальными электронными системами фазовой автоподстройки [2]. Однако эффективность работы подобных систем резко снижается, а их сложность существенно возрастает при расширении пространственно-временного спектра случайных флуктуации фазы интерферирующих световых пучков.
В связи с этим актуальным является исследование чисто оптических адаптивных методов пространственно-временной стабилизации рабочей точки интерферометра. Один из таких методов, независимо предложенный в [3,10], основан на явлении энергообмена (самодифракции) световых пучков, взаимодействующих с записанной ими динамической решеткой (ДР) в светочувствительной среде. Вследствие инерционности фотоотклика эта среда реагирует только на медленно меняющиеся во времени распределения света в интерференционной картине (ИК) пучков, так что обусловленные высокочастотным сигналом ФМ быстрые смещения мгновенной ИК относительно ДР приводят к перераспределению интенсивностей (энергообмену) между пучками на выходе из среды. В то же время, медленные смещения ИК, вызываемые случайными изменениями взаимной фазы пучков интерферометра, "отслеживается" средой и не дает вклада в энергообмен, обеспечивая адаптивную фильтрацию низкочастотных помех в выходном сигнале. Положение рабочей точки интерферометра, определяющее крутизну преобразования спектральных компонент сигнала ФМ, зависит от пространственного рассогласования усредненной ИК и записанной в среде ДР.
Очевидно, что на пути создания и совершенствования таких ОГИ лежит ряд проблем связанных в частности с прогнозированием эффективности их работы (например, чувствительности) в определенном заданном спектральном диапазоне, оптимизацией работы ОГИ, направленной на увеличение его чувствительности, возможностью управления работой такого интерферометра и т.п. Поскольку в основе работы любого ОГИ лежит светочувствительная среда, то эффективность работы такого интерферометра полностью определяется голографическим свойствами ДР, формируемой в этой среде. В этой связи весьма актуальным является поиск и разработка оперативных методов диагностики нелинейных светочувствительных сред, включающих в себя возможность контроля (управления) их параметрами. Таким образом, в настоящей диссертации была разработана методика оперативной диагностики голографических характеристик нелинейных светочувствительных материалов широко используемых в динамической голографической интерферометрии на основании доступной информации об их спектроскопических свойствах (главы 2 и 3).
1.2 Связь голографических и спектроскопических характеристик нелинейных сред
С момента открытия голографии диагностика нелинейных светочувствительных сред остается актуальной проблемой и по сей день. При этом задача предсказания голографических характеристик ДР возникает как в статической, так и в динамической голографии. В статической голографии, как и в фотографии, после экспонирования светочувствительного материала следует процесс закрепления изображения, то есть физико-химическая обработка. После этого голограмма готова к восстановлению, то есть считыванию [11]. В динамической голографии, процессы формирования (записи) голограммы в среде и ее считывания идут одновременно, и после прекращения записи голограмма, в силу диффузионных процессов, исчезает. Очевидно, динамическая голография обладает большим потенциалом, нежели статическая, так как открывает возможность оптического управления в реальном времени посредством записи динамической голограммы в среде [11]. Голографические свойства динамических (и статических) решеток определяются спектроскопическими свойствами нелинейно-оптических сред, в которых они формируются, и между ними обязательно должна существовать связь, аналогичная той, которая существует для фотографических сред [12]. Отметим, что решетками здесь и далее мы будем называть простейшие голограммы, образованные в результате интерференции двух плоских волн, а под топографическими свойствами подразумевать в основном дифракционную эффективность (ДЭ), которая определяются, как отношение интенсивности дифрагирующего излучения к интенсивности падающего [11].
В отличие от фотографии, где изменение показателя преломления фотоматериала в результате облучения не существенно, в голографии, наоборот, наряду со с вето индуцированными изменениями в спектре коэффициента поглощения важно знать наводимые изменения в спектральном распределении показателя преломления. В результате интерференции волн в среде могут формироваться чисто амплитудные, чисто фазовые или смешанные амплитудно-фазовые решетки [11,13]. При этом дифракционная эффективность амплитудной (фазовой) решетки на интересуемой длине волны определяется амплитудой наводимых изменений коэффициента поглощения (показателя преломления) на выбранной длине волны.
Изменения в поглощении и в полуширинах полос поглощения, в зависимости от интенсивности возбуждающих излучений
Этот достаточно простой способ расчета фазового фотоотклика среды на основании знания амплитудного фотоотклика использовался во многих работах, посвященных, красителям [61-64], фоторефрактивным и полупроводниковым кристаллам [65-69], фотохромным стеклам [70], средам биологического происхождения [71,78].
Так, например, в [61-64] было показано, что ДСКК остаются справедливыми для просветляющихся красителей (родамин 6Ж, DODCI, 3955, xanthene), при пикосекундном возбуждении. В работе [64], на примере красителей иозина и эритрозина показано, что дифракционная эффективность, рассчитанная при использовании ДСКК, с точностью до 2-3 раз совпадает с результатами прямых измерений дифракционной эффективности при записи-считывании динамической решетки,в этих средах непрерывным лазерным излучением.
В работах [71,78] на примере бактериородопсина был подробно исследован вопрос о применимости ДСКК для расчета фоторефрактивного фотоотклика в средах биологического происхождения. В [71] показано, что спектральное распределение дифракционной эффективности динамической решетки, формируемой в бактериродопсине непрерывным излучением, по форме, хорошо прогнозируется при использовании ДСКК. Однако количественно наилучшее совпадение было установлено лишь в спектральной области от бООнм до 800нм (различие теории с экспериментом менее двух раз). В области от 400нм до бООнм отличие рассчитанных значений ДЭ от наблюдаемых в эксперименте по записи-считыванию ДР, составляет уже несколько раз.
Простота использования ДСКК привлекает многих исследователей для проверки применимости этих соотношений к различным средам. Так, ДСКК были использованы для расчета нелинейного показателя преломления п2 для фотохромного стекла сульфида кадмия, допированного селеном CdSxSei.x, где х =0.1. [70]. В результате прямых измерений нелинейного показателя преломления п2(гд& Ап=п2Т), при помощи модифицированного интерферометра Тваймана-Грина было показано, что наблюдается лишь качественное совпадение рассчитанного и экспериментально наблюдаемого спектрального контура. Количественно указанное различие составляет 5 раз.
В работе [69] было продемонстрировано хорошее совпадение спектрального распределения нелинейного показателя преломления п2(Л), рассчитанного на основе ДСКК, и измеренного в эксперименте с полупроводниковым кристаллом InSb при возбуждении прямого внутризонного перехода при низких температурах ( 77К). Различие рассчитанных и экспериментально наблюдаемых значений нелинейного показателя преломления П2(Л) составило в этом случае, не более двух раз в диапазоне энергий кванта света 1750-1850см"1.
В результате анализа этих работ можно сделать однозначный вывод о том, что, во-первых, справедливость дисперсионных соотношений Кра-мерса-Кронига в разностном виде (1.3.7) определяется их применимостью в виде (1.3.6) во время возбуждения среды, что, как известно, выполняется далеко не для всех сред (исключаются, как минимум, среды с диссипацией энергии, и среды пространственной дисперсией [79]). Во-вторых, дифракционная эффективность, рассчитанная на основе ДСКК, будет соответствовать экспериментально наблюдаемым значениям только в том случае, если в среде изменение показателя преломления вызвано только светоин-дуцированными изменениями в спектре поглощения среды, то есть дополнительных механизмов изменения показателя преломления нет или они крайне малы. Вместе с этим, наличие дополнительных механизмов формирования Ant не связанных с изменением спектра поглощения, не уменьшает значения ДСКК, а лишь указывает на возможный дополнительный вклад в An, который необходимо учитывать при расчете спектрального распределения фазовой составляющей дифракционной эффективности. На это, в частности, указывает тот факт, что в значительном большинстве рассмотренных выше работ, экспериментально наблюдаемые значения ДЭ превосходят рассчитанные по абсолютной величине, при этом форма контура спектрального распределения ДЭ прогнозируется правильно. Однако, как будет показано в главе 3 настоящей диссертации, не учет дополнительных механизмов формирования An не исчерпывает все возможные факторы, так или иначе приводящие к несоответствию наблюдаемых значений дифракционной эффективности и предсказанных на основе дисперсионных соотношений Крамерса-Кронига. Для выяснения этих факторов необходимо было провести всю процедуру расчета спектрального распределения дифракционной эффективности, основанную на ДСКК, и проверить полученное распределение в прямом эксперименте по записи-считыванию динамической решетки в модельной светочувствительной среде.
В качестве модельной среды для проведения указанной процедуры нами использовался генетически модифицированный аналог бактериоро-допсина БР D96N. БР, как нелинейный светочувствительный материал известен с 1971 года, и к настоящему времени является классическим объектом. Определенный интерес представляют также и синтетические аналоги бактериородопсина (3.5), которые могут быть синтезированы с наперед заданными спектроскопическими и голографическими свойствами.
Определение соотношения амплитудного и фазового вкладов в дифракционную эффективность методом фазомодулированных пучков
Принцип его работы заключается в следующем. Перед началом записи проводят активизацию пленки (повышают заселенность cis- состояния БР) насыщающим излучением с длиной волны 568 нм. После этого для записи используют криптоновый лазер (413нм), пучок которого делится на объектный (проходящий через транспарант) и опорный, которые затем пересекаются в пленке БР, и образуют голограмму. В качестве считывающего пучка используется тот же насыщающий луч, но пониженной интенсивности.
Разработанная методика записи голограмм на пленке БР затем была использована при создании голографических интерферометров. Гологра-фическая интерферометрия — современная методика анализа деформации объектов в масштабе 1/10 — 1/100 длины волны путем обработки сложного оптического сигнала. Необходимость таких измерений возникает при определении амплитуд вибраций поверхностей, микросмещений и малых скоростей движения [86]. В настоящее время используют нереверсивные материалы (например, галогениды серебра), которые не позволяют отслеживать динамику процессов [89], что является недостатком нереверсивных сред. Использование в качестве среды для записи интерферограмм пленки БР, являющегося реверсивной средой, позволяет расширить возможности голографической интерферометрии.
Поскольку голографическая интерферометрия возможна только при низкой интенсивности света, то наиболее важной характеристикой используемых материалов является их светочувствительность. Изменение светочувствительности и контрастности пленки БР достигается вариацией времени жизни интермедиата М: его увеличение вызывает уменьшение светочувствительности [91].
Одним из практических результатов проводимых в этой области исследований стало то, что в 2001 году немецкая фирма Munich Innovative Biomaterials (МІВ) представила на рынок адаптивный голографический ин-терферометр FringeMaker-plus на основе пленки мутантного БР D96N. (http://www.mib-biotech.de). Интерферометр с успехом используется для анализа структуры поверхностей и микровибраций, и обладает высокими метрологическими характеристиками.
Еще одним интересным применением БР являются устройства молекулярной памяти, которые обладают определенными преимуществами перед полупроводниковой памятью. Во-первых, она основана на белке, который производится в большом количестве и по недорогой цене, чему способствуют достижения биотехнологии и генной инженерии. Во-вторых, система памяти может функционировать в более широком диапазоне температур, чем полупроводниковая память. В-третьих, данные в памяти хранятся постоянно, даже при отключении питания это не приводит к потери информации. И последнее — молекулярный носитель информации обладает значительно большей емкостью, нежели полупроводниковый, так как запись ведется по всему объему вещества, а не только по его поверхности.
Группой исследователей центра молекулярной электроники "W.M. Keck Center for Molecular Electronics", под руководством профессора P. Бирга [87], был разработан прототип системы памяти, использующей для запоминания цифровые биты молекулы БР. В разработанной схеме используются trans- и els- состояния молекулы БР, в которой trans- состояние соответствует логическому значению бита "О", a cis— значению "1". Поскольку эти два состояния обладают заметно отличающимися спектрами поглощения, то имеется возможность простого определения текущего состояния молекулы.
Наряду с развиваемой в настоящей диссертации методики диагностики нелинейных светочувствительных сред существуют альтернативные методы прямого определения их фоторефрактивного и фотохромного фотоотклика, прочем наибольший интерес представляет именно фоторефрак-тивный фотоотклик среды, так как изменение в поглощении среды регистрируется намного проще. В настоящее время особую популярность получили две экспериментальные методики - фазомодулированных пучков и метод Z-scan.
Метод фазомодулированных пучков (ФМП) впервые был предложен независимо [3,4] и [92], как перспективный метод исследования нелинейных сред. В результате ознакомления с этим методом хочется выделить как минимум две особенности, которые выгодно отличают МФП от других методик: это уникальная чувствительность, открывающая возможность диагностики слабонели ней иных сред, в которых показатель преломления меняется под действием света в пятом или шестом знаке (Дп-Ю МО"6) и возможность детектирования фотохромного и фоторефрактивного фотоотклика среды независимо друг от друга [92].
В России метод ФМП с 1985 года активно развивается в лаборатории голографии и когерентной спектроскопии, при кафедре экспериментальной физики Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Здесь впервые была разработана теория стационарного и нестационарного энергообмена фазомодулированных на динамических решетках, формируемых в средах с локальным и нелокальным фотооткликом [93].
Запись голограмм В и М-типа в светочувствительном покрытии планарного волновода, содержащем бактериородопсин
Планарные волноводы, так же как и волоконные световоды, представляют собой оптические системы, предназначенные для канал ирования излучения, которое распространяется в них в виде направляемых мод. Являясь компонентами оптических систем сбора, передачи и обработки информации, планарные волноводы первоначально разрабатывались именно как элементы связи между источниками, приемниками, модуляторами и т.п. Создание эффективных планарных волноводов с малыми потерями, оптимальным профилем показателя преломления и другими характеристиками, определяющими их работу, оказалось возможным только благодаря нетривиальным технологическим решениям, связанным с получением специальным марок оптического стекла, используемого в качестве подложек, с совершенствованием методов легирования этих стекол для обеспечения требуемых параметров направляемых мод [99]. В частности, для реализации широкополосных помехозащищенных волноводов часто применялась технология "заглубления" волновода в подложку, когда профиль показателя преломления имеет ярко выраженный максимум на определенной глубине от поверхности волновода. Это позволяет существенно снизить требования к качеству обработки поверхности волновода, так как практически вся энергия направляемой моды сосредоточена в глубине волновода [100]. Однако вскоре после создания первых планарных волноводов стало ясно, что функция каналирования излучения в них может быть с успехом совмещена с функцией управления параметрами этого излучения. При этом физические механизмы управления излучением могут быть самыми различными, в том числе и оптическими. Например, воздействуя на среду волновода излучением с длиной волны Х\, можно изменять режим распространения мод с длиной волны %2- Правда,, в этом случае имеет место ослабление одного из основных достоинств планарных волноводов - а именно, их помехозащищенности - так как любое внешнее воздействие на кана-лируемую моду, в том числе и управляющее ее характеристиками, является для этой моды своего рода "помехой". В связи с этим совмещение функций управления и каналирования ставит перед исследователями проблему минимизации внешнего воздействия, обеспечивающего тот или иной управляющий эффект. Разработка материалов для таких волноводов находится сейчас на начальной стадии своего решения [99].
Весьма перспективным в этой связи представляется управление параметрами каналируемого излучения путем воздействия на "хвост" рас -36 пространяющейся моды, находящийся за границей, на которой происходит полное внутреннее отражение. Методы такого воздействия давно и хорошо известны. Например, для реализации управления "хвостом" направляемой моды можно использовать покрытие волновода светочувствительной пленкой. Освещая пленку и, следовательно, изменяя ее показатель преломления, можно варьировать глубину проникновения излучения за границу полного внутреннего отражения и, таким образом, модулировать мощность каналируемой моды за счет потерь в пленке [101]. Однако, такой метод обладает существенным недостатком, связанным с тем, что при перераспределении мощности излучения между модой и ее "хвостом" относительное изменение мощности моды оказывается много меньше относительного изменения мощности "хвоста" (если, конечно, первоначальная мощность в "хвосте" была достаточно малой). То есть для эффективной модуляции мощности моды требуется очень большое управляющее воздействие, которое, как правило, трудно реализовать, например, вследствие эффектов насыщения. В связи с этим более эффективным оказывается не перераспределение энергии между модой и ее Хвостом", а внешнее воздействие на "хвост" моды, например, со стороны другого пучка, распространяющегося в волноводе. Речь, таким образом, фактически идет о реализации управляемой связи мод в планарном волноводе с тем или иным фоточувствительным покрытием. Для этой цели требуется высококачественное согласование профилей "хвостов" связываемых мод, что проще всего достигается в результате дифракции мод на решетках (фазовых, амплитудных), образованных в покрытии волновода. Формирование эффективных статических решеток в различных покрытиях широко используется в планарных волноводах уже более двадцати лет [102]. Однако, в этом случае требуется очень тщательная настройка геометрии распространения взаимодействующих пучков и решетки. Кроме того, в этом случае трудно реализовать управление параметрами решетки.
Значительно более широкие возможности открываются при использовании для связи мод динамических решеток, записанных этими модами в реверсивных светочувствительных материалах, покрывающих поверхность волновода. Более того, самодифракция мод на динамических решетках в таких покрытиях позволяет реализовать уникальные возможности методов динамической голографии в интегральной оптике. Это и усиление слабых пучков, и эффекты нестационарной перекачки фазы, и обращение волнового фронта, и многие другие [103-105].
В настоящей диссертации (глава 4) впервые систематически изучен вопрос об оптически управляемой связи мод за счет их самодифракции на динамических амплитудно-фазовых решетках, записанных в покрытии с локальным реверсивным фотооткликом. Показано, что эффективность такой связи приближается к эффективности энергообмена когерентных пучков, взаимодействующих в объеме среды, используемой в качестве фото-рефрактивного покрытия. На примере биофотополимера - суспензии бак-териородопсина D96N в глицерине - экспериментально продемонстрирована возможность реализации различных механизмов формирования динамических решеток в покрытии волновода, в частности, основанных на пространственной модуляции скорости возбуждения фоточувствительных молекул и на пространственной модуляции их времени релаксации.
Похожие диссертации на Оптическое управление и диагностика нелинейного реверсивного фотоотклика бактериородопсина
