Способ управления режимами работы нелинейного интерферометра Фабри-Перо

(12) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО(71) Заявитель Белорусский государственный университет(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ управления режимами работы интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что на расположенную в резонаторе светочувствительную резонансную среду, атомы и молекулы которой находятся в возбужденном состоянии, воздействуют дополнительным световым пучком, поглощающимся указанными атомами и молекулами, отличающийся тем, что управление режимами работы осуществляют, используя изменение нелинейности показателя преломления среды, вызванное поглощением указанного пучка. Фиг. 1 Изобретение относится к области управления световыми потоками и может быть использовано в квантовой электронике, для оптической обработки информации. Известен способ управления режимами работы интерферометра, основанный на взаимодействии двух когерентных полей с трехуровневой средой, помещенной в кольцевой резонатор 1. Частота сигнального поля настроена в основную полосу поглощения среды, а частота дополнительного светового пучка резонансно совпадает с частотой перехода с возбужденного уровня на один из расщепленных подуровней. Включение дополнительного светового пучка влияет на населенность возбужденного уровня и, тем самым, меняет коэффициент поглощения среды, что дат возможность управлять поглощательной бистабильностью в интерферометре. Задачей изобретения является расширение диапазона методов оптического управления режимами работы интерферометра Фабри-Перо (дифференциального усиления, дискриминатора, оптической бистабильности,ограничителя). Поставленная задача решается тем, что на интерферометр Фабри-Перо с нелинейной средой, наряду с сигнальной волной направляют дополнительную волну, частота которой попадает в полосу поглощения из возбужденного энергетического состояния резонансной среды. Сравнение свойств заявляемого и известных решений, использующих для управления интерферометром дополнительный световой пучок, показало, что в заявляемом решении термализация энергии дополнительного светового пучка при поглощении возбужденными атомами или молекулами обуславливает изменение показателя преломления среды и приводит к оптической бистабильности для сигнального поля при интен 2457 1 сивностях значительно меньших, чем без дополнительного пучка. Кроме того, отсутствие резонаторной обратной связи для дополнительного светового пучка позволяет использовать пучки с произвольным направлением распространения и малой степенью когерентности и монохроматичности. Сущность предлагаемого способа управления интерферометром Фабри-Перо поясняется фиг. 1-3 на примере резонансной среды, моделируемой трехуровневой схемой энергетических состояний. На фиг.1 изображена принципиальная схема нелинейного интерферометра Фабри-Перо. На фиг.2 представлено расположение энергетических уровней нелинейной светочувствительной среды и соответствующие каналы переходов при облучении ее сигнальными дополнительнымпучками. Сплошными линиями обозначены вынужденные переходы, пунктирными - спонтанные и безызлучательные. На фиг.3 приведены зависимости интенсивности излучения на выходе интерферометраот входной интенсивности 0 при различных интенсивностях дополнительного светового пучка 0 (1) 0,7 (2) 0,8 (3), 3.0 (4). На фиг.1 сигнальная волна 1 частотойпадает на интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал 3 и 4 с большим значением коэффициента отражения на частоте . Пространство между зеркалами заполнено светочувствительной средой 5, состоящей из поглощающих частиц (молекул, атомов), причем частотасигнального светового пучка попадает в полосу поглощения 0-1 из основного энергетического состояния(фиг.2). При воздействии на слой 5 светом на частоте , он способен просветляться. Одновременно на интерферометр посылают дополнительный световой пучок 2 на частоте , соответствующей переходу с возбужденного уровня 1. Вследствие того, что этот уровень заселен соответственно интенсивности сигнального пучка, поглощенная в канале 1-2 энергия дополнительного светового пучка 2 также зависит от интенсивности пучка 1. Таким образом, увеличение интенсивности сигнального пучка приводит к увеличению поглощенной энергии не только в основном канале 0-1, но и в канале 1-2. Это приводит к изменению комплексной диэлектрической проницаемости среды, в частности, за счет термализации части поглощенной энергии и изменения показателя преломления среды, оказывая влияние на характер взаимодействия сигнальной волны с нелинейным интерферометром. При этом появляется возможность усилить нелинейность среды, вызванную слабым сигнальным пучком. Для сигнального светового пучка связь между интенсивностью поля в средес интенсивностью падающего на интерферометр светового потока 0 можно представить в виде 0 (1)(1) Здесьехр(-) - пропускание слоя толщиной ,- коэффициент отражения зеркал, Ф 2/ -фазовая отстройка интерферометра от резонанса,- показатель преломления среды,- длина волны излучения,- целое число. Интенсивность светового потока, прошедшего через интерферометр, задается следующим образом(1)(2) 11 При расчете нелинейных свойств резонансной среды учтем, что комплексный показатель преломления в поле двух световых пучков интенсивности(сигнальная волна) и(дополнительный световой пучок) определяется соотношением 2) (3)12 1 где 0 - показатель преломления среды без учета рассматриваемых резонансных переходов, 00 / 2 линейный коэффициент экстинкции, 0 - начальный коэффициент поглощения. Комплексный параметр не линейности, зависящий от спектральных характеристик среды, интенсивности дополнительного светового пучка и учитывающий термализацию поглощенной энергии в основном 0-1 и возбужденном 1-2 каналах,определяется выражением Комплексный параметропределяет спектральные характеристики резонансного перехода -,связаны дисперсионными соотношениями с коэффициентами Эйнштейна. Коэффициенты Эйнштейна 12 и 21 определяются на частотесигнального светового пучка, а В 23 и 32 на смещенной частотедополнительного пучка, Р - суммарная вероятность спонтанных и(при импульсном возбуждении, когда процессами теплоотвода можно пренебречь,- это длительность светового импульса в условиях непрерывного лазерного возбужденияопределяется временем тепловой релаксации),с/0 скорость света в среде. Численное решение системы уравнений (1) - (3) получено при использовании суммарной интенсивности сигнальной волны внутри интерферометрав качестве независимой переменной, что позволяет, зная величину , по формуле(3) найти значения показателя преломленияи коэффициента поглощения 2/, а по формулам (1), (2) определить интенсивности на входе 0 и на выходе интерферометра . На фиг.3 приведены зависимости (0) при различных значениях интенсивности дополнительного оптического пучка . Расчеты проведены для трехуровневой модели в предположении возбуждения среды в центр полос поглощения 0-1 и 1-2 при стоксовом сдвиге зеркальносимметричных полос поглощения и люминесценции на одну полуширину контура. Зависимости получены при следующих параметрах среды и излучения, характерных для этанольного раствора красителя родамин-6 Ж ( / )-1-210-4 Дж-1 см 3, 23212, 01,36, 23412100(-центр и полуширина полосы поглощения в канале -),10-8, 120,5, 320,0006, 00,02, коэффициент отражения зеркал 0,99, начальная отстройка интерферометра от резонанса Ф 020/- 0.03. Интенсивности сигнальной волны , 0 и дополнительного светового пучканормированы на интенсивности насыщения соответствующих резонансных переходов. Как видно, при выбранных параметрах интерферометра без дополнительного пучка имеет место практически линейная характеристика пропускания (кривая 1). Поглощение дополнительного светового пучка в возбужденном канале приводит к увеличению изменения показателя преломления, вызванного сигнальной волной, и обуславливает реализацию различных режимов работы интерферометра. В режиме дифференциального усиления (кривая 2) можно усилить малые изменения входной интенсивности. Оптический дискриминатор (кривая 3) пропускает импульсы с интенсивностью выше пороговой (00,03) и подавляет те из них, интенсивность которых ниже порогового уровня (00,03). При дальнейшем увеличении интенсивности дополнительного светового пучка возможна реализация оптической бистабильности и режима с практически постоянной выходной интенсивностью (оптический ограничитель, кривая 4). Заметим, что в иллюстрируемом на фиг.3 случае оптическая бистабильность получена при значении параметра 0/2(1-)1, что меньше обычно требуемых для интерферометра Фабри-Перо значений С 4. Аналогичные зависимости получены для светочувствительной среды, моделируемой четырехуровневой схемой (0-1-1-2) при поглощении дополнительного светового пучка в триплетном канале Т 1-Т 2. Таким образом, управление нелинейными свойствами резонансных сред с помощью дополнительного светового пучка на частоте полосы поглощения из возбужденного состояния атомов и молекул позволяет осуществить некогерентное управление пропусканием интерферометра Фабри-Перо и расширить область параметров, для которых возможна реализация различных режимов работы (дифференциального усиления, дискриминатора,оптической бистабильности, ограничителя). Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.