Способ записи динамической голограммы с увеличенной дифракционной эффективностью

СПОСОБ ЗАПИСИ ДИНАМИЧЕСКОЙ ГОЛОГРАММЫ(71) Заявитель Белорусский государственный университет (ВУ)(72) Авторы Толстик Алексей Леонидович Ормачеа Муньос Омар Альберто (ВУ)(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет (ВУ)Способ записи динамической голограммы с увеличенной дифракционной эффективностью, включающий воздействие на выполненную в виде плоскопараллельного слоя светочувствительную резонансную среду когерентными между собой опорным и объектным световыми пучками с частотой, обеспечивающей переход молекул резонансной среды в возбужденное состояние, и одновременное воздействие на нее некогерентным с указанными пучками светом с частотой, обеспечивающей его поглощение молекулами резонансной среды в указанном возбужденном состоянии, отличающийся тем, что некогерентный свет получают путем лазерной генерации в резонансной среде при отражении от торцов вмещающей ее кюветы.Изобретение относится к области записи и преобразования световых полей динамической голограммой и может быть использовано в адаптивной оптике, для управления волновым фронтом лазерного излучения и оптической обработки информации в реальном времени.Известен способ записи динамической голограммы 1, включающий облучение резонансной среды опорной и объектной когерентными волнами и одновременно третьей вол ВУ 8293 С 1 200641830ной, некогерентной по отношению К ним. При этом в результате взаимодействия третьей волны со средой, последняя переходит в возбужденное (инверсное) состояние, в результате чего интенсивность опорной и объектной волн при прохождении через светочувствительную среду возрастает, и дифракционная эффективность записываемой таким образом голограммы увеличивается. Недостатком данного способа является необходимость достижения в среде эффекта усиления взаимодействующих волн, что существенно ограничивает класс веществ, способных к записи голограмм.Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ записи динамической голограммы 2, основанный на облучении светочувствительной среды когерентными между собой опорным и объектным пучками и дополнительным световым пучком, некогерентным записывающим голограмму полям, причем частоту дополнительного светового пучка отстраивают в полосу поглощения из возбужденного энергетического состояния атомов или молекул. При интерференции сигнальной и объектной волн в среде имеет место пространственная модуляция населенности возбужденного энергетического уровня 51, что обусловливает модуляцию энергии дополнительного светового пучка, поглощаемого с возбужденного уровня. Это приводит к пространственно неоднородному тепловыделению и, как следствие, записи в объеме среды дополнительных термоиндуцированнь 1 х интерференционных структур, также участвующих в процессе записи голограмм. Вследствие низкого квантового выхода люминесценции в спектральном канале 51-52 индуцируемые тепловые рещетки весьма эффективны и позволяют значительно увеличить эффективность взаимодействия.К недостатку данного способа записи динамической голограммы относится необходимость настройки частоты дополнительного светового пучка в полосу поглощения из возбужденного энергетического состояния молекул.Задачей изобретения является увеличение дифракционной эффективности динамической голограммы и отказ от использования внещнего дополнительного светового пучка.Поставленная задача рещается тем, что в резонансной среде, облучаемой когерентнь 1 ми между собой опорным и объектным пучками, дополнительный световой пучок генерируется за счет резонаторной обратной связи при отражении от торцов вмещающей ее кюветы. Вследствие стоксового сдвига полос поглощения и люминесценции генерируемое излучение, как правило, попадает в полосу поглощения с возбужденного энергетического уровня (резонансный переход 51-52) и практически не поглощается молекулами, находящимися в основном энергетическом состоянии 50. Причем сечение поглощения с возбужденного уровня для генерируемого излучения существенно больще, чем для излучения,используемого при записи динамической голограммы.Сравнение свойств заявляемого и известных рещений, использующих для увеличения дифракционной эффективности дополнительную световую волну, показало, что в заявляемом рещении дополнительный световой пучок генерируется в самом образце и эффективно поглощается молекулами, находящимися в возбужденном энергетическом состоянии. Эта особенность, в сравнении с прототипом, приводит к существенному росту дифракционной эффективности (более чем на порядок), причем нет необходимости использовать дополнительные лазерные источники.Сущность предлагаемого способа записи динамических голограмм поясняется фиг. 13 на примере трехуровневой резонансной среды (50-51-52).На фиг. 1 представлена принципиальная схема записи голограммы по предлагаемому способу.На фиг. 2 изображены расположения энергетических уровней светочувствительной среды и соответствующие спектральные каналы переходов при облучении среды волнами,участвующими в записи динамической голограммы. Сплощнь 1 ми линями обозначены вь 1 нужденные переходы, пунктирными - спонтанные и безызлучательные.На фиг. 3 приведены результаты расчета зависимости дифракционной эффективности от интенсивности записываемых голограмму волн на примере вырожденного щестиволнового взаимодействия.На фиг. 1 опорная 1 и объектная 2 волны, когерентные между собой, попадают на резонансную светочувствительную среду, выполненную в виде плоскопараллельного слоя 3. Слой 3 состоит из поглощающих Частиц (молекул, атомов), причем частота со объектного и опорного световых пучков попадает в полосу поглощения светочувствительной среды. Частицы могут находиться в свободном состоянии, в твердом матрице либо в жидкости. При воздействии на слой светом на частоте со он способен просветляться. В результате интерференции волн 1 и 2 в слое 3 устанавливается пространственно-неоднородное распределение интенсивности излучения. За счет светоиндуцированных переходов 50-51Практически одновременно, за счет обратной связи при отражении от торцов кюветы,возникает излучение лазерной генерации на частоте 0), которое поглощается молекулами, находящимися в возбужденном энергетическом состоянии.Вследствие того, что уровень 51 заселен неравномерно (в соответствии с интерференцией света на частоте 0, поглощаемая в канале 51-52 энергия генерируемого излучения на частоте со также промодулирована в пространстве. Процесс поглощения из возбужденного состояния приводит к изменению комплексной диэлектрической проницаемости среды,в частности, за счет термализации части поглощенной энергии генерируемого излучения. Это приводит к росту пространственной модуляции показателя преломления среды и, следовательно, к росту дифракционной эффективности записанной голограммы.Голограмму восстанавливают считывающим пучком 5, который, в частности, может распространяться навстречу опорному пучку 1 и совпадать с ним по частоте. Для реализации нелинейной записи и восстановления динамической голограммы (используется дифракция во второй и более высокие порядки) необходимо изменение частоты или направления распространения считывающего пучка. Если частота пучков 1, 2 и 5 одинакова, то реализуется схема вырожденного многоволнового взаимодействия.Рассмотрим теоретически возможность увеличения дифракционной эффективности динамической голограммы по схеме фиг. 1 и фиг 2. Для объяснения сущности изобретения выбран вариант вырожденного щестиволнового взаимодействия ВШВВ (используется второй порядок дифракции).Процесс многоволнового взаимодействия можно описать следующей системой укороченных волновых уравнений 3дЕ 12 825 1(Е 1,ЗХО(Ф)ЕЗ 1 Х 1 ш( а ) ) (1) О ЭЕ 12 д 1(Е 2.хо(о)Евдхм ш 1 ) (2) О 1 ТЕ где ХМ Яех 11 МС- компоненты разложения нелинейной восприимчивости ч среды х в пространственный ряд Фурье по гармоникам рещетки С (11 - 15)г Ь ь 1 Ь 12 Х 0(ш) ПОКО 12 3 а Т 12(а/ Т/ 27 В 12 1 1 1 АО п к ь 2(аь п 11 со о о т 1 Т 1 5 4 э) 27 1 5 А(1 л,А бы т ФЗ)ЧЛеНЫ С Хо уЧИТЫВаЮТ ИЗМеНеНИе КОЭффИЦИСНТа ПОГЛОЩеНИЯ И ПОКаЗаТЗЛЯ ПреломлеНИЯ ПрОСВВТЛЯЮЩЗЙСЯ Среды В ИНТерфереНЦИ 0 НН 0 М Поле ВЗЗИМОДеЙСТВУОЩИХ ВОЛН, Х ОПИСЫВаеТ ПерераССеЯНИе ОбЪЗКТНОЙ И 0 П 0 рН 0 Й ВОЛН На фОРМИРУОЩеЙСЯ ЗМПЛИТУДНОфаЗОВОЙ реШеТКе, а Хп-М ОПреДеЛЯеТ ПараМеТрИЧеСКуЮ СВЯЗЬ СЧИТЫВаЮЩеЙ И ДИфраГИр 0 е ехрЬ мим -р 5 1 (5)ванной волн. При этом выражения (3)-(5), включающие Коэффициенты 0 С , Ьт, 1, зависят от интенсивности и Частоты генерируемого излучения и позволяют учесть влияние генерации в кювете с красителем на эффективность многоволнового взаимодействияЗДССЬ По - начальное ЗНЗЧВНИС показателя ПРСЛОМЛВНИЯ (ОПРВДСЛЯСТСЯ РЗСТВОРИТВЛСМ),Ко - ЛИНСЙНЫЙ КОЭффИЦИВНТ ЭКСТИНКЦИИ, 10 - ИНТВНСИВНОСТЬ ГСНВРИРУМОГО ИЗЛУЧСНИЯвнутри кюветы с красителем, В 1 д(0 и В 1 д(о)) - коэффициенты Эйнштейна для вь 1 нужденного перехода 1-3 на частоте взаимодействующих волн со и Частоте генерации 0), Рд - суммарная вероятность спонтанных и безь 1 злучательнь 1 х переходов, щ - квантовый выходлюминесценции, 01100) 6(оэ)1 В(оэ) (еды) связаны соотношениями КрамерсаКронига с коэффициентами Эйнштейна ВМФ), у - скорость света в среде, от и б - пара метры, определяющие тепловую нелинейность на частотах о) и 0), б 20)(1 п/1 Т т/ сСр , с 1 п/1 Т - термооптический коэффициент, Ср - теплоемкость единицы объема, т - характерное время взаимодействия (в адиабатическом режиме определяется длительностью лазерного импульса).Результаты численного анализа системы уравнений ( 1), (2) с учетом разложений (3) (5) для шестиволнового взаимодействия представлены на фиг. 3, где приведены зависимости дифракционной эффективности 1 р(г 0) / 12(г Ь) от интенсивности запись 1 вающих голограмму волн при параметрах взаимодействия, отвечающих условиям моноимпульсного возбуждения этанольного раствора красителя т 20 нс, по 1,36,(бп/бТЮ 1074 Дж 1 см 3, Ж 532 нм, М 570 нм, АЖ 30 нм, (Ж и АЖ - центр и полуширина полосы поглощения), мы 0,5, из 0,005 (квантовые выходы люминесценции),В ВЗ ОЗВХ . Интенсивности волн нормированы на интенсивность насыщения основного резонансного перехода (50-51) Дж 1, где 10 (Вы В 21)//Р 21. При этом использовалась линейная зависимость мощности генерации в кювете с красителем от мощностинакачки 10 т 1(1 д 1 р ) при предельном к.п.д. генерации п 0,35 и пороговой интенсив ности 101) 6,7 . Для сравнения на вставке к фиг. 3 кривой 1 представлена зависимость, рассчитанная 663 учета ГВНСРЗЦИИ В КЮВСТВ С красителем. ВИДНО, ЧТО ВКЛЮЧСНИС генераЦИИ (криваяПОЗВОЛЯСТ бОЛСС ЧСМ на два порядка УВВЛИЧИТЬ ЗНЗЧВНИЯ дифракционной ЭффСКТИВНОСТИ ПрИ ОДНОВРМСННОМ УВСЛИЧСНИИ ИНТСНСИВНОСТИ ВЗЗИМОДСЙСТВУЪОЩИХ ВОЛН.