Способ оптического управления пространственным распределением поляризации и интенсивности светового пучка

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОПТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ПОЛЯРИЗАЦИИ И ИНТЕНСИВНОСТИ СВЕТОВОГО ПУЧКА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Ганчеренок Игорь Иванович Толстик Алексей Леонидович Мельникова Елена Александровна Сташкевич Игорь ВячеславовичБюркхард Флек Лютц Венке(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Способ оптического управления пространственным распределением поляризации и интенсивности светового пучка, включающий пропускание света через слой жидкого кристалла, приведенного в соприкосновение с фоторефрактивным кристаллом, и поляризатор,отличающийся тем, что на поверхности фоторефрактивного кристалла создают периодическое распределение интенсивности управляющего светового поля, а управление осуществляют изменением пространственного распределения интенсивности светового поля и глубины ее модуляции. 6660 1 Изобретение относится к области преобразования световых потоков и может быть использовано в лазерной физике, оптическом приборостроении, для оптической обработки информации. Известен способ оптического управления поляризацией света 1, заключающийся в одновременном распространении двух световых пучков в нелинейной среде, изотропной в исходном состоянии и проявляющей фотостимулированную анизотропию. При этом в результате нелинейного взаимодействия среды с управляющим световым пучком в среде наводится оптическая анизотропия, что и обеспечивает изменение состояния поляризации(азимут, эллиптичность) управляемого светового пучка. Недостатком данного способа является необходимость использования мощных световых пучков для достижения в среде фотостимулированной анизотропии. Известен также способ управления поляризацией светового пучка, прошедшего через жидкокристаллическую ячейку 2, заключающийся в изменении внешнего (управляющего) электрического поля, приложенного к слою жидкого кристалла. Под действием электрического поля происходит переориентация молекул жидкого кристалла. Изменение направления директора жидкого кристалла меняет поляризационные характеристики прошедшего через ячейку светового пучка. В зависимости от величины приложенного электрического поля на выходе ячейки управляемый световой пучок будет находиться в разных поляризационных состояниях. При помещении на выходе жидкокристаллической ячейки поляризатора таким же образом можно управлять интенсивностью светового пучка. Недостатками данного способа управления поляризацией и интенсивностью светового пучка является использование дополнительного электрического источника питания, невозможность пространственного сканирования по сечению пучка. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ оптического управления интенсивностью и поляризацией светового пучка 3, основанный на использовании структуры фотопроводник - жидкий кристалл, помещенной между прозрачными электродами. К электродам прикладывается электрическое напряжение, постоянное или переменное в зависимости от конструкции. Подаваемое напряжение и сопротивление слоев жидкого кристалла и фотопроводника выбраны таким образом,чтобы в отсутствии засветки напряжение, приложенное к слою жидкого кристалла, было недостаточным для получения электрооптического эффекта (напряжение ниже порогового). При освещении участка фотопроводника управляющим световым пучком сопротивление фотопроводника падает, а электрическое напряжение, приложенное к слою жидкого кристалла возрастает до величины, достаточной для возникновения электрооптического эффекта. При пропускании через структуру фотопроводник - жидкий кристалл дополнительного (управляемого) светового пучка, который не поглощается фотопроводником,можно изменять его поляризацию или интенсивность. Недостатками данного способа являются использование дополнительного электрического источника питания и накладываемые ограничения на частоту управляемого светового пучка, обусловленные спектральными характеристиками фотопроводника. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение схемного решения, расширение диапазона частот управляемого светового пучка. Поставленная задача решается за счет того, что слой жидкого кристалла приводят в соприкосновение с поверхностью фоторефрактивного кристалла, на которой создают периодическое пространственное распределение интенсивности управляющего светового поля. Изменение пространственного распределения и амплитуды модуляции интенсивности управляющего светового поля обеспечивает управление пространственным распределением поляризации управляемого светового пучка. Для управления интенсивностью используется поляризатор, который размещают после кристаллов. Сравнение свойств заявляемого и известных решений, использующих для управления параметрами светового пучка источник электрического поля, показало, что в заявляемом 2 6660 1 решении электрическое поле, воздействующее на жидкий кристалл, создается управляющим световым полем за счет перераспределения электронов в фоторефрактивном кристалле. Эта особенность в сравнении с прототипом приводит к упрощению схемного решения поставленной задачи за счет исключения источника электрического поля. Кроме того, расширяется спектральный диапазон управляемого излучения, так как пространственно-однородная засветка управляемого светового пучка не влияет на амплитуду пространственной модуляции светового поля на поверхности фоторефрактивного кристалла,а следовательно, не влияет на величину индуцированного электрического поля, воздействующего на жидкий кристалл. Сущность предлагаемого способа оптического управления пространственным распределением поляризации и интенсивности светового пучка поясняется фигурой, где представлена конкретная схема реализации. Здесь 1 - стеклянная подложка, 2 - слой жидкого кристалла (ЖК), 3 - фоторефрактивный кристалл, 4 - управляемый световой пучок, 5 - управляющее поле, 6 - поляризатор, используемый для управления интенсивностью. На фигуре управляющее световое поле 5 создает на поверхности фоторефрактивного кристалла 3 пространственно-неоднородное распределение интенсивности. Под действием оптического возбуждения электроны в кристалле переходят из валентной зоны в зону проводимости. За счет диффузии электронов и захвата их ионизированными донорными центрами в фоторефрактивном кристалле создается пространственно неоднородное распределение электрического заряда и индуцируется электрическое поле , величина которого определяется градиентом концентрации электронов 4(/)(/),где- концентрация электронов, зависящая от интенсивности возбуждающего излучения, - постоянная Больцмана,- температура, е - заряд электрона. При увеличении интенсивности светового пучка величина напряженности электрического поля возрастает до значения, определяемого эффектом насыщения. В случае, когда период пространственного распределения интенсивности равен дебаевской длине экранирования, величина электрического поля Енас совпадает со значением диффузионного поля 5(2/)(/),где- период пространственного распределения интенсивности управляющего светового поля. При 300 К и 10-4 см электрическое полеможет составить величину 1600 В/см, что, как правило, превышает напряженность, необходимую для переориентации молекул жидкого кристалла 6. Ориентация жидкого кристалла на стеклянной подложке остается неизменной, а направление директора ЖК на поверхности фоторефрактивного кристалла определяется пространственным распределением интенсивности управляющего светового поля. В частности, неоднородное распределение интенсивности может быть создано при интерференции двух световых пучков (далее управляющих), направляемых на поверхность кристалла под разными углами. Ориентация ЖК в этом случае перпендикулярна направлению полос интерференции. В случае планарной ориентации на стеклянной подложке в слое жидкого кристалла создается закрученная структура, во многом аналогичная твист-структуре в жидкокристаллических индикаторах. Отличие состоит в том, что угол поворота директора ЖК по толщине слоя может быть любым в пределах от 0 до 90 градусов. Падающий на рассматриваемую структуру со стороны стеклянной подложки световой пучок с однородной линейной поляризацией на входе в ЖК слой, параллельной заданной на подложке ориентации, на выходе из ЖК слоя будет иметь линейную поляризацию, направление которой будет перпендикулярно направлению полос интерференционного поля. Изменение направления полос интерференционного поля (а следовательно, и изменение ориентации плоскости поляризации выходного пучка) может быть осуществлено, например, путем изменения взаимной ориентации осей управляющих пучков (в частности с помощью дефлектора). 3 6660 1 В случае гомеотропной ориентации ЖК на стеклянной подложке и планарной ориентации ЖК на поверхности фоторефрактивного кристалла выходное излучение в общем случае будет эллиптически поляризовано. Если управляющее световое поле будет пространственно модулировано, например, в виде изображения, то на слое жидкого кристалла будет воспроизведено это изображение и передано в управляемый световой пучок путем изменения пространственного распределения поляризации управляемого пучка. Данное изменение пространственного распределения поляризации с помощью поляризатора может быть преобразовано в соответствующее ему распределение интенсивности, что и обеспечит управление пространственным распределением интенсивности. В случае, когда управляющее световое поле создается за счет интерференции двух световых пучков, и каждый из управляющих пучков несет свое изображение, в управляемом пучке будет сформировано изображение, реализованное логической операцией И из изображений управляющих пучков. Для осуществления операций оптической обработки информации может быть реализовано управление интенсивностью управляющего светового поля по заданному закону. Источники информации 1. А.с. СССР 1554622, МПК 02 1/137, 1988. 2. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.Н., А Парфенов.В. Пространственные модуляторы света. - . Радио и связь, 1987. 3. Васильев А.А., Компанец И.Н., Никитин В.В. Квантовая электроника, 1973. - Т.1. С. 130. 4. Борщ А.А., Бродин М.С., Бурин О.М., Волков В.И., Кухтарев Н.В., Семенец Т.И.,Смерека З.Н. Квантовая электроника, 1990. - Т. 17. - С. 914. 5. . .. . . 1978. - .14. - Р. 650. 6. Жидкие кристаллы. Под ред. С.И. Жданова. - . Химия, 1979. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4