Голографические дифракционные структуры для оптических систем связи на основе фотополимерных материалов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

УДК 535.33

На правах рукописи

Довольное Евгений Андреевич

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ ДИФРАКЦИОННЫЕ СТРУКТУРЫ ДЛЯ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ФОТОПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 01.04.05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 2005

Работа выполнена на кафедре сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Научный руководитель: кандидат физико-

математических наук, с.н е., Шарангович Сергей Николаевич

Официальные оппоненты- доктор физико-математических

наук, с.н.с., Гейко Павел Пантелеевич

кандидат технических наук, с.н.с, Серебренников Леонид Яковлевич

Ведущая организация Институт автоматики и электрометрии

Сибирского отделения Российской Академии Наук

Защита состоится 21 сентября 2005 г., в 09 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212 268.04 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники по адресу; 634050, г.Томск, пр.Ленина, 40, ауд 230 гл корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники

Автореферат разослан «_»_2005 года.

Ученый секретарь

специализированного совета Д 212.268.04,

доктор технических наук

Акулиничев Ю.П

ОБШАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является развитие волоконно-оптических систем связи, обеспечивающих возможность передачи яа значительные расстояния чрезвычайно большого объема информации с наивысшей скоростью. Хотя данные системы связи уже нашли самое широкое применение, проблема их совершенствования и развития остается по прежнему актуальной. Возможность передачи такого большого количества информации по волоконно-оптическим линиям связи связана с использованием технологии уплотнения по длине волны (WDM/DWDM), использующей селективные свойства оптических дифракционных структур (ДС). Поиск вовых материалов, обеспечивающих долговременную стабильность, низкий уровень шумов и высокую фоточувствительность, в последние годы существенно активизировался. Особенно большое внимание уделяется средам для голо графической записи информации, таким как, фоторефраотивные кристаллы, фотополимерные материалы (ФПМ), композиционные материалы ва основе ФПМ с жидкокристаллической (ЖК) компонентой (ФПМ-ЖК), последние в свою очередь позволяют создать динамически управляемые селективные по длине волны оптические коммутаторы для оптических систем связи и обработки информации.

Голо графический метод создания дифракционных решеток в указанных материалах является наиболее удобным. В настоящее время исследования голографяческой записи в ФПМ все больше переходят в плоскость применения, благодаря возможности создания в ФПМ-ЖК нано -размерных матриц, фотонных кристаллов и управляемых периодических дифракционных структур, которые находят обширные применения в области оптической связи и обработки информации.

Перспективность ФПМ обусловлена высокой разрешающей способностью стабильностью записи, высокой дифракционной эффективностью, возможностью управления селективными и дифракционными свойствами, относительной дешевизной материала. Основным преимуществом фотополимеров является то, что голограммы в них формируются в процессе записи и не нуждаются в дополнительной химической обработке.

Целенаправленный поиск фоточувствительных сред требует построения теоретических моделей оптической записи. В случае топографической записи эта построения связаны с решением задач о многоволновых взаимодействиях световых пучков в нелинейной среде. Для стационарных взаимодействий эти задачи уже рассмотрены в литературе в различных приближениях. Динамические модели записи построены лишь для некоторых частных случаев.

Создание теоретических моделей записи и считывания в ФПМ

1' РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ J БИБЛИОТЕКА I

периодических дифракционных структур топографическими методами, позволит моделировать и оптимизировать характеристики данных структур и методики их получения. На данный момент именно голографический способ создания жидкокристаллических матриц с наноразмерами и фотонных кристаллов в фотополимерных средахмявляется перспективным и наиболее часто интенсивно исследуемым. Рассматриваемые вопросы являются важным этапом в создании оптических динамически управляемых структур с наноразмерами, востребованными в телекоммуникационных системах.

Целью диссертационной работы является создание математических моделей и методики расчета процессов формирования голографических ДС в ФПМ, определение степени влияния внутренних параметром материала и условий формирования на пространственно-временные амплитудно-фазовые распределения ДС и их дифракционные характеристики. Определение методов динамической оптимизации дифракционных характеристик формируемых ДС.

Основные задачи, определяемые целью работы: исследование кинетики и вида пространственного амплитудно-фазового распределения пропускающих и отражающих фазовых ДС в ФПМ и их дифракционных характеристик: дифракционной эффективности, угловой и частотной селективности, - в зависимости от:

поглощения и его фотоиндуцированного изменения,

соотношения вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи,

нелинейности процесса фотополимеризации по интенсивности света, самодифракции и самовоздействия записывающих волн, амплитудных и фазовых профилей записывающих пучков.

Методы исследования. Теоретический анализ формирования ДС в ФПМ основывался на теории радикальной полимеризации, а дифракции - на решении уравнений связанных волн методом медленно-меняющихся амплитуд и методе возмущений. При обработке экспериментальных результатов по записи и считыванию пропускающих ДС в ФПМ использовались полученные теоретические модели, для оценки параметров материала путем сопоставления результатов численного моделирования и экспериментальных исследований кинетики формирования ДС и ее угловой селективности.

В работе используются: теория радикальной полимеризации, элементы геометрической и волновой оптики, теория связанных волн, метод медленно-меняющихся амплитуд, метод возмущений, преобразование Фурье, операторный метод решения интегро-дифференциальных уравнений, операторный метод решения матричных уравнений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета и анализ формирования пространственно неоднородных фотополимеризационных ДС, основанные на обобщении фотополимеризационно-диффузионной теории формирования дифракционной решетки в поглощающих ФПМ.

2. Пространственная неоднородность отношения скорости диффузии к скорости полимеризации, обусловленная вдоль глубины решетки поглощением ФПМ, а вдоль вектора решетки амплитудно-фазовой неоднородностью записывающих пучков, приводит к формированию ДС с неоднородным пространственным распределением - динамической аподизации пространственного профиля ДС. При отставании во времени диффузионного механизма записи от полимеризационного увеличение данного отношения приводит к возрастанию эффективности решетки, а в обратном случае - к уменьшению.

3. Подавление высших пространственных гармоник ДС в поглощающих ФПМ осуществляется, когда поглощение приводит к превышению полимеризационного механизма записи над диффузионным особенно при выраженной нелинейности полимеризационного механизма записи.

4. Поглощение ФПМ приводит к динамической аподизации пространственного профиля ДС, сопровождающейся снижением уровня боковых лепестков, и изменению оптимального соотношения времен полимеризации и диффузии, при котором дифракционная эффективность ДС достигает максимальной величины.

Достоверность полученных диссертантом результатов основывается на корректности постановки задач исследований, высоком теоретическом уровне их решения, использовании апробированных теоретических методов и обоснованных приближений. Достоверность теоретических и расчетных результатов подтверждается:

^ переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования при упрощающих допущениях к известным результатам, как на стадии аналитического решения, так и на стадии численного моделирования, подтверждением всех основных результатов теоретических расчетов экспериментальными данными, полученными как самим автором, так и другими авторами, и соответствием полученных материальных параметров экспериментально исследованных ФПМ со значениями, представленными в литературе. Достоверность экспериментальных результатов по кинетике записи и угловой селективности базируется на

^ использовании известных экспериментальных методик при помощи

измерительной аппаратуры с известными характеристиками, ^ повторяемости результатов. ^ согласии с результатами других авторов.

Основные результаты диссертации опубликованы в научных журналах и неоднократно докладывались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.

Научная новизна диссертационной работы выражается в следующих теоретических и экспериментальных результатах, впервые полученных автором:

1. В разработанных математических моделях формирования пропускающих и отражающих голографических дифракционных структур в фотополимерном материале, позволяющих исследовать вид пространственно-временного амплитудно-фазового распределения создаваемых структур и их дифракционные характеристики, определяющие дифракционную эффективность, угловую и частотную селективность. Модели, полученные в виде аналитических решений, учитывают следующие факторы:

о произвольную степень нелинейности скорости процесса

фотополимеризации по интенсивности света, о поглощение и его фотоицдуцированное изменение, о контраст интерференционной картины,

о произвольное соотношение скоростей полимеризации и диффузии, о формирование решеток последовательностью импульсов, с длительностью импульсов сопоставимой с характерными временами полимеризационных и диффузионных процессов, о самовоздействие записывающих волн при малом контрасте, приводящее к изменению пространственного распределения записывающего светового поля и, соответственно, формированию первой гармоники ДС с измененным амплитудно-фазовым профилем,

о высшие пространственные гармоники амплитудного профиля

дифракционной решетки, о самодифракцию записывающих волн на высших пространственных гармониках, приводящую к формированию дополнительных дифракционных решеток, о амплитудную и фазовую модуляция записывающих пучков.

2 В проведенном на основе созданных моделей численном анализе пространственных профилей пропускающих и отражающих ДС и их дифракционных характеристик, подтвердившем трансформацию неоднородности пространственных профилей и важное влияние учета таких факторов, как соотношение скоростей диффузии и полимеризации, соотношения интенсивностей записывающих пучков, поглощения фотополимерного материала и нелинейности скорости процесса полимеризации по интенсивности света.

3 В проведенном экспериментальном исследовании, показавшем

адекватность основных разработанных моделей и позволившем оценить область параметров материала и условий записи, в которой необходимо использование той или иной разработанной модели. На основе сопоставления экспериментальных и теоретических результатов дана оценка материальных параметров исследованных ФПМ: вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС, величину и скорость изменения коэффициента диффузии, степени нелинейности скорости процесса фотолимеризации.

4 В экспериментально обнаруженном и теоретически описанном эффекте самодифракции записывающих волн на высших пространственных гармониках записываемой дифракционной структуры, приводящем к формированию дополнительных дифракционных решеток.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

1. В разработанных математических моделях, позволяющих определить условия формирования ДС в поглощающем фотополимерном материале, при которых наличие поглощения приводит к аподизации пространственного амплитудного профиля дифракционной структуры, уменьшению амплитуд высших пространственных гармоник амплитудного профиля, увеличению дифракционной эффективности.

2. В разработанном на основе созданных математических моделей программном обеспечении по расчету дифракционных характеристик пропускающих и отражающих голографических дифракционных структур, позволяющем осуществить динамическую оптимизацию передаточной функции ДС, определить оптимальные условия формирования (время, углы записи и амплитудно-фазовое распределение записывающих пучков) для получения ДС с заданной дифракционной эффективностью, шириной полосы пропускания и перекрестными помехами в угловой и частотной областях. Разработанное программное обеспечение «Пакет программ «Расчет и оптимизация голографических дифракционных структур в фотополимерных материалах» зарегистрировано в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

3. В показанном пути аподизации трехмерного пространственного профиля ДС и оптимизации дифракционных характеристик, путем выбора амплитудно-фазового распределения записывающих пучков в зависимости от внутренних параметров материала.

4. В увеличении дифракционной эффективности ДС на стационарном уровне в несколько раз при переходе от непрерывной записи к записи импульсной последовательностью с длительностью импульсов и скважностью, определенными из соотношения скоростей диффузии и полимеризации, при быстро протекающей полимеризации и медленной диффузии.

5. В применимости разработанных математических моделей формирования ДС в фотополимерном материале с инертной компонентой и полученных на их основе методике расчета и программного обеспечения, для описания динамически формируемых и управляемых внешними полями ДС на основе композиционных фотополимерных материалов, используемых в качестве оптических фильтров и мультиплексоров/демультиплексоров для оптических систем связи.

6. В представленных зависимостях вносимых потерь для фотополимерных пропускающих и отражающих голографических ДС от ширины частотно-углового спектра излучения с равномерным распределением и в проведенной оптимизации дифракционных характеристик ДС в ФПМ.

7. В представленных схемотехнических рекомендациях по формированию и использованию отражающих ДС в однонаправленных и двунаправленных волоконно-оптических системах передачи со спектральным разделением каналов (ВОСП-СР) и проведенном расчете двунаправленных систем передачи на основе полимерного оптического волокна с фотополимерной отражающей ДС в качестве мультиплексора/демультиплексора с оценкой вносимых потерь и перекрестных искажений.

Внедрение. Результаты диссертационной работы использованы:

• в Новосибирском институте органической химии Сибирского отделения РАН (НИОХ СО РАН) при оптимизации фотополимерньгх композиций в НИР «Дизайн функциональных светочувствительных органических материалов» в рамках программы РАН «Направленный синтез химических соединений с заданными свойствами»;

• в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) на кафедре «Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники» (СВЧиКР) при выполнении НИР ГБ 1.7.97 «Изучение оптоэлектронных и акустооптических взаимодействий в фоторефрактивных кристаллах, фотополимерных средах функциональных устройств оптических систем связи и обработки информации», НИР ГБ 5.00.1 «Новые принципы построения устройств функциональной электроники для систем связи и обработки информации на основе фоторефрактивных и акустооптоэлектронных процессов и явлений», НИР 711 по проекту: «Исследование наноразмерных динамически управляемых дифракционных периодических структур в фотополимеризующихся жидкокристаллических композиционных материалах» ведомственной научной программы "Развитие научного потенциала высшей школы" в 2005 г, а также при курсовом и дипломном проектировании студентов;

• в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и

информатики (СибГУТИ) на кафедре «Линий связи» и в ТУ СУР на кафедре СВЧ иКР в виде реализованных компьютерных лабораторных работ для студентов по расчету демультиплексоров для ВОСП-СР. В приложении приведены акты об использовании результатов работы и копия свидетельства об отраслевой регистрации разработки «Пакет программ «Расчет и оптимизация голо графических дифракционных структур в фотополимерных материалах» в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных работах.

Основное содержание работы опубликовано в 32 основных работах, включая 5 в рецензируемых периодических журналах (4 - в Известиях вузов. Физика, 1 - в Вестнике Гомельского государственного университета им. Ф.Скорины), 1 -в межвузовском сборнике научных трудов центрального издательства «Гидрометеоиздат», 8 в трудах SPIE, 18 докладов в трудах конференций (в том числе 3 в приложении к журналу «Известия вузов. Физика»).

Апробапня работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции "Problem of Interaction of Radiation with Matter" (Belarus, 2001). на Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of Opto- and Microelectronics» APCOM-2001,2002,2004 (Russia), на III-V1 школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии» (Россия, 2002, 2003. 2004, 2005). на IX Международной конференции «Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals» (Ukraine, 2002), па Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» (Россия, 2003), на 17-ом международном симпозиуме «Aerosence» на конференции "Enabling Photonic Technologies for Aerospace Applications V" (USA, 2003), на 7-й международной конференции по оптике «ROMOPTO 2003» (Romania, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Россия, 2003), на международной конференции «Photonics Ни rope- Organic Optoelectronics and Photonics» (France, 2004), на Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУ СУР» (Россия, 2005), на 14-ой Международной Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" КрыМиКо (Украина, 2004), на 13-ой международной конференции «International Plastic Optical Fibres Conference» (Germany, 2004). на международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Россия, 2004). на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Россия. 2005), ка П-ой международной конференции IASTED «International Multi-Conference Communication systems» AC1T-CS (Russia, 2005). на Международной конференции «Photorefractive Effects. Materials, and Devices 2005» (China, 2005).

Личный вклад автора. Основные материалы, изложенные в диссертационной работе, отражают личный вклад автора в проведенные исследования. Постановка задач исследования, определение методов получения аналитических решений и обсуждение результатов исследований проведено совместно с научным руководителем С.Н. Шаранговичем [1-32] и К.А. Бунге [20]. Создание программного обеспечения и проведение численного моделирования [1-32], создание экспериментальных стендов [13,6,23,25,26,28-31] выполнено лично автором. Образцы фотополимерных материалов для экспериментальных исследований изготовлены и предоставлены В.В. Шелковниковым, Е.Ф.Пеном [1-3,6-7,12,19] и Дж.Т Шериданом [23,25,26,28-31] принимавших также участие в обсуждении результатов экспериментальных исследований. Проведение экспериментальных исследований по записи импульсной последовательностью и части экспериментов по непрерывной записи в материале НРРМ-633 проведено совместно с В.В. Шелковниковым и Е.Ф. Пенном [5,7,12,15], остальные экспериментальные исследования проведены лично автором [23,25,26,28-31].

Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 147 наименований и приложения. Полный обьем диссертации - 188 страниц, включая 64 рисунка и 10 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновается актуальность темы диссертации, формулируются цель работы и выносимые на защиту основные научные положения. Указывается научная новизна и практическая значимость результатов, приводится краткая аннотация содержания диссертации по главам, перечислены основные результаты работы.

Первая глава представляет собой аналитический обзор литературы, посвященной исследованиям фотополимерных материалов, как среды для голографической записи. Подробно рассмотрены основные особенности, принятые приближения и ограничения основных существующих теоретических моделей записи и считывания пропускающих и отражающих голографических дифракционных решеток (ДР) в ФПМ. Описаны теоретические и экспериментальные исследования записи, постэкспозиционного и оптического самоусиления ДР в ФПМ. Проведенный аналитический обзор показал необходимость комплексного подхода к описанию формирования и считывания ДС в ФПМ. На основе этого сформулированы цель и основные задачи работы.

Вторая глава посвящена теоретическому анализу процессов голографического формирования в поиющающих ФПМ пространственно

неоднородных фазовых пропускающих голографических дифракционных структур (ПГДР) и их дифракционных характеристик: дифракционной эффективности, ширины полосы пропускания, величины первого бокового лепестка, - и анализу их влияния на совокупность характеристик дифракционного элемента для ВОСП-СР.

В подразделе 2.2 кратко описан процесс радикальной фотополимеризации, обусловленный воздействием света и приводящий к локальным изменениям показателя преломления п(г, /) ФПМ, состоящего из поглощающего свет красителя-сенсибилизатора, инициатора, мономера, сшивающего мономера и связующего полимера. На основе описания радикальной полимеризации получена обобщенная на случай произвольной степени нелинейности скорости фотополимеризации от света к система кинетических уравнений для скорости изменения концентрации мономера М и показателя преломления п и уравнение, описывающее зависимость коэффициента диффузии Э от степени полимеризации:

МЦ,г), (1)

КЬ }

д"(*>Г) -К- V

Кь Мп

Л/(Г,г)>|1

м„

£>(1,г) = Вт ехр

1

Ми

(2)

(3)

где /(?,г) - пространственно-временное распределение интенсивности света, Ъпр,Ьп, - параметры, описывающие вклады полимеризационно-диффузионного и диффузионного механизмов записи, .г - параметр, описывающий скорость изменения Д Д, - начальное значение Д К1,а0,$,(К),т0,Кь - внутренние параметры ФПМ.

Система уравнений (1)43) использована в работе для разработки всех моделей формирования пространственно неоднородных ДС в ФПМ.

В подразделе 2.3 получен общий вид решения задачи формирования пространственно неоднородных ПГДР в виде суммы пространственных гармоник. В подразделе 2.4 решена самосогласованная задача считывания пространственно-неоднородных ПГДР с высшими пространственными гармониками произвольно поляризованным монохроматическим световым пучком (дифракционная задача). Решение получено с помощью метода возмущений для произвольной эффективности решетки в виде рекуррентных аналитических выражений для пространственно-временного распределения прошедшего и дифрагированных пучков. Приведены выражения для углового положения и зависимостей обобщенной брэгговской расстройки от угла и длины волны считывания для дифрагированного света на основной и высших гармониках пространственно-неоднородных ДС.

Полученное решение дифракционной задачи в последующих подразделах использовано для анализа динамики изменения дифракционных

характеристик (ДХ) ДС во время их формирования: дифракционной эффективности, ширины полосы пропускания, уровня боковых лепестков и формы передаточной функции.

В подразделе 2.5 разработана математическая модель формирования ПГДР плоскими волнами в ФПМ с постоянным оптическим поглощением с учетом нулевой и первой гармоник Мил:

М0{х,у)=М„-р(х,у), п^(х,у)= п^+Ьп^-р(х,у)},

М1(х,у)=-Мп-/{х,у), щ(х,у) = пУр(х,у) + пи(х,у).

где

2* 11

nlp(x,y) = bnp [р(х',у>- kmу - f(x',у)- (l + 1.5ij<ft' ,bm(x,y) = e-^^,

"у О

nl,(T,j') = 5n,j f(x!,у)- Ьт«,у)<К , p(T,y) = exp{-2t(l+^)-t/6>),

2ккт„ -г(1+15£)-Ь 1

f P(x',y) eb> * A\

°y о

Lv = L(y) = k(k-l)m//4Jp{y) = (2Kb/(apx0(K)l0(y)f/Kg - время полимеризации, Ьу=Ь(у)=Т/у)/Т„, T„=\l(K*Dm) - время диффузии, Kt -волновое число первой гармоники основной решетки ^i=|JTi|, x=ilTm -относительное время, trty=m(y) - локальный контраст интерференционной картины, /о0>) - пространственное распределение интенсивности засветки. Зависимость от глубины решетки у обусловлена noi лощением ФПМ.

На основе полученной модели при проведении численного моделирования изучена временная трансформация пространственно неоднородных профилей ПГДР, неоднородность которых обусловлена поглощением. Показано, что для двух областей отношения времени полимеризации Тр ко времени диффузии Т„, (Ь=Тр1Т„,) амплитуды решеток и их кинетики существенно различаются. Поглощения приводит к существенно различным результатам в зависимости от Ь. Так при ¿»>1 поглощение всегда приводит к формированию решетки со спадающим (повторяющим распределение интенсивности света вдоль глубины решетки (у)) профилем вдоль у и затягиванию роста решетки, что обусловлено увеличением времени полимеризации Тр(у) вследствие уменьшения интенсивности света вдоль у. Для 6<1 (рис.1(а), си£=2Неп) поглощение приводит к трансформации пространственного профиля от спадающего до возрастающего за время записи и увеличению времени записи, что обусловлено также изменением времени полимеризации по глубине решетки и увеличению b=TJTm вдоль у. На основе моделирования дифракционных характеристик показано, что поглощение приводит к изменениям ДХ относительно ПГДР с равномерным пространственным профилем. При b< 1 быстро записывается слабая решетка с локатьным максимумом дифракционной эффективности (rid) и спадом до

стационарного значения, а для Ь> 1 запись решетки происходит медленнее, но до больших эффективностей и без локального максимума, что обусловлено увеличением диффузионной составляющей в полимеризационно-диффузионном механизме записи.

а) ПГДР б) ОГДР

Рис 1 - Пространственные профили пропускающей (а) и отражающей голограф ических дифракционных решеток при Ь<\.

Так при Ь< 1 (рис.2) поглощение в 4Неп на стационарном уровне приводит к увеличению дифракционной эффективности (гу) до 6 раз, увеличению полосы пропускания (2Д05) в 1.1 раза с наличием локальных максимумов и минимумов, увеличению уровня первого бокового лепестка на 1.7дБ с локальным минимумом во временной точке близкой к максимальной дифракционной эффективности. При Ь> 1 поглощение в 4 Неп на стационарном уровне приводит к увеличению г^в 1.3 раза, 2Д05 и а практически не изменяются, но при времени записи до \0Тт, часто отвечающем экспериментальным условиям, происходит уменьшение т^ в 1.3 раз, 2До5 увеличивается в 1.2 раза, а г|<А£ уменьшается на 1.6дБ.

T-Í/7V, отн ед T-»TM, отн ед тч/7",, отн ед

а) б) в)

l-O£Í=0 ОГДР и ПГДР, 2 - <к£=4Неп ПГДР, aá=4Hen ОГДР Рис 2 - Дифракционные характеристики от относительного времени записи (Ь<1)

В подразделе 2.6 впервые изучено формирование ПГДР при импульсном характере записывающего поля и фотоиндуцированном изменении поглощения (ФИП) фотополимерного материала. Рассмотрение проведено в приближении плоских волн для произвольной импульсной последовательности с длительностями импульсов одного порядка с характерными временами рассматриваемых процессов Тр и Т„, ~ (0.01с.-10с.). Для описания ФИП определена логарифмическая аппроксимирующая функция с учетом погрешности аппроксимации, физического смысла параметров аппроксимирующей функции и удобства её использования для

дальнейших математических выкладок С использованием сс получена математическая модель для записи импульсной последовательностью в виде рекуррентных соотношений для нулевой и первой гармоник М и п, состоящем из выражений для этапа записи во время длительности светового импульса и этапа постэкспозиционного усиления (ПЭУ) во время отсутствия импульса.

На основе численного моделирования показано, что ФИП приводит к компенсации влияния поглощения на дифракционные характеристики. Для ПЭУ показано, что пространственные профили во время ПЭУ практически не изменяются по форме, равномерно увеличиваясь в каждой пространственной точке, а увеличение эффективности дифракции Рис3 при Ь<1 достигает 3.5 раз при длительности

светового импульса Тц= 0.1 Г„ и 1.4 раза при Тк= \Т„, а при ¿>>1 в 3.7 и 2.1 раза, соответственно. Запись импульсной последовательностью при ¿<1 (рис.3 при различной длительности импульсов и скважности) позволяет увеличить дифракционную эффективность пространственно-неоднородной ПГДР до 6 раз на стационарном уровне и в 3 раза относительно локального максимума, а при ¿»1 приводит к затягиванию процесса формирования и уменьшению дифракционной эффективности на стационарном уровне Показано, что оптимальное соотношение времени длительности импульсов и скважность импульсной последовательности, определяются из соотношения времен полимеризации и диффузии.

В подразделе 2.7 впервые разработана математическая модель записи ПГДР с учетом самовоздействия записывающих волн при малом контрасте. В модели учтено, что при записи ПГДР дифракция записывающих волн на формируемой решетке приводит к изменению распределения интенсивности записывающего поля внутри материала, и формирование решетки продолжается в соответствии с измененным распределением светового поля. Полученное решение с учетом первой и нулевой гармоник А/ и п для плоских волн показало, что происходящие одновременно в каждый момент времени два взаимосвязанных процесса - формирование решетки и самовоздействис записывающих волн, приводят к формированию фазовой ПГДР со сложным пространственным амплитудно-фазовым распределением первой гармоники.

Величина амплитудной неоднородности профиля ПГДР и изменение эффективного вектора решетки, обусловленное в решении наличием неоднородности фазовой составляющей, существенно зависят от коэффициента связи Г=2п&прс1/(Хсо5(0)) (X ~ длина волны света, 6 - угол записи) и контраста интерференционной картины. Так при ¿>1 неоднородность профиля при отношении интенсивностей записывающих волн т0Ю.1 достигает 50% (рис.4). На основе расчетов с помощью моделей с учетом самовоздействия записывающих волн и без учета изучены зависимости т¡¿(т„). показавшие, что при Ь> 1 самовоздействие записывающих

волн приводит к увеличению т^в 1.5 раза при т0=0.01 и в 1.3 раза при то=0.3. Показано, что при т0=0.01 максимум т^ смещается в область увеличения угла Брэгга на 10% от полуширины полосы пропускания (рис.2 в, ПГДР), в то время как усадка материала приводит к смещению лишь на 1.5-3%.

ш, ||М,и

а) т0=0 1 б) /яо=0 1 в) т0=0 01

Рис 4

В подразделе 2.8 проведено обобщение модели записи из подраздела 2.5 на случай неоднородности амплитудно-фазового распределения записывающих световых пучков и фотоиндуцированного изменения поглощения. Показано, что фазовая неоднородность записывающих пучков приводит к пространственной неоднородности времени диффузии Тт. а амплитудная - времени полимеризации Тр. Соответственно, выводы сделанные в подразделе 2.5 относительно влияния соотношения Ъ^Т^Тт на неоднородные пространственные профили полностью применимы в данном подразделе. Проведенное исследование влияния амплитудно-фазовой неоднородности на пространственные профили и дифракционные характеристики показало, что формирование определяется локальной неоднородностью нелинейности процесса полимеризации.

В подразделе 2.9 впервые разработана самосогласованная математическая модель, учитывающая взаимосвязь высших пространственных гармоник профиля решетки в поглощающем ФПМ. Исследовано влияние поглощения на трансформацию неоднородных двумерных пространственных профилей ДС и их дифракционных характеристик. Показано, что динамика формирования пространственных профилей гармоник является нелинейной и существенно различной. Это связано с пространственной неоднородностью скорости и нелинейности формирования гармоник и их взаимосвязью. Установлено, что с номером гармоники вклад диффузионной составляющей в полимеризационно-диффузионный механизм формирования увеличивается, а начиная с третьей гармоники, становится определяющим.

На рис. 5 приведены зависимости (рис.5 а) и й(А)=т|л(6)/г|£С(Л)

(рис 5 б), где т^ - эффективность дифракции на 7-ой пространственной гармонике ПГДР. Точками на рис.5 показаны кривые, при построении которых брались значения т|л и т^ во временной точке, соответствующей локальному максимуму эффективности дифракции в первом порядке, а сплошными линиями - значения т|л и г)л на стационарном уровне.

Переход кривых, обозначенных точками, в сплошные кривые на рис.5 (а, б) характеризует значение параметра Ь (¿»1), при котором пропадает локальный максимум ^(т). Из рис.5 (б) видно, что в диапазоне 3<Л<5 изменение к (степени нелинейности процесса фотополимеризации по интенсивности света) практически не сказывается на ЫЬ).

Э 400 | 100-

¥ 0,01

И

4=05

А=09

Л=0 5 *=0 I

0,1 1 10 Ь, ота ед

100

Рис 5

б)

Кривые, показанных на рис.5, позволяют определить оптимальные значения Ь, при которых записывается решетка с максимальной дифракционной эффективностью на первой пространственной гармонике и, например, минимальными дифракционными эффективностями на высших пространственных гармониках. При изменении Ь от 0.01 до 100 отношение стационарных значений эффективностей дифракции КЬ) (рис.5 б) изменяется от 11 раз для /И). 1 до 1000 раз для к=0.9.

Расчеты, аналогичные представленным на рис. 5, показали следующие изменения И(Ь) в зависимости от соотношения интенсивностей записывающих пучков т0 и поглощения. Так уменьшение т0 с 1 до 0.1 ведет к увеличению А для А=0.1 в 1,5 раза при А =0,01 и 6 раз при 6=100, а для ¿=0.9 увеличение И составляет 5 раз (¿=0,01) и 3 раза (6=100). Поглощение приводит только к изменению масштаба зависимости Ыр) по оси Ь с коэффициентом равным 2*ехр(-а¿К). Таким образом, снижение контраста, увеличение Ь и увеличение к (для Ь>б) приводит к снижению т^ на высших пространственных гармониках, причем первые два параметра могут быть использованы при оптимизации ДХ.

Показано, что взаимовлияние гармоник в поглощающем ФПМ при поглощении 2Неп сопровождается увеличением амплитуды первой гармоники в 1.3 раза в начале решетки и 1.5 раза в конце решетки.

В подразделе 2.10 математическая модель записи ПГДР с учетом высших пространственных гармоник дополнена учетом самодифракции записывающих волн на высших пространственных гармониках, приводящей к формированию дополнительных дифракционных решеток (ДДР). Показано, что каждая ДЦР имеет квазипериодический амплитудно-фазовый профиль вдоль глубины решетки. Вследствие чего передаточная характеристика каждой ДЦР имеет два максимума, один в угловом положении соответствующем породившей пространственной гармонике, а второй в угловом положении соответствующем дифрагированной волне на породившей гармонике, участвовавшей в записи данной ДДР. Установлено,

что с увеличением Ь происходит уменьшение IV высших гармоник, а т^ порожденных ими ДДР увеличиваются, причем г)^ дополнительного максимума увеличивается быстрее. Так при Ь= 10 V ДДР достигают 50% от т^ породившей гармоники, а ^ дополнительного максимума достигает 80% от основного.

Третья глава посвящена теоретическому анализу процессов голо графического формирования в поглощающих ФПМ пространственно неоднородных фазовых отражающих голографических дифракционных структур (ОГДР) и их дифракционных характеристик: дифракционной эффективности, ширины полосы пропускания, величины первого бокового лепестка, и анализу их влияния на совокупность характеристик дифракционного элемента для ВОСП-СР.

Данная глава является аналогичной второй как по структуре, так и по кругу решаемых задач и методов получения их решений. Ввиду чего описание рассматриваемых процессов сокращено и некоторые выводы и методы решения опущены, а внимание сконцентрировано на отличиях кинетики профилей и дифракционных характеристик ОГДР от ПГДР, так как создание математических моделей и исследование процессов формирования ОГДР с учетом поглощения, импульсного характера записи, высших пространственных гармоник, самовоздействия и самодифракции записывающих волн на высших пространственных гармониках проведено впервые.

В подразделе 3.2 получен общий вид решения задачи формирования пространственно неоднородных ОГДР в виде суммы пространственных гармоник. В подразделе 3.3 решена самосогласованная задача считывания пространственно-неоднородных ОГДР с высшими пространственными гармониками произвольно поляризованным монохроматическим световым пучком. Решение получено с помощью метода возмущений для произвольной эффективности решетки в виде рекуррентных аналитических выражений для пространственно-временного распределения прошедшего и дифрагированных пучков. Приведены выражения для углового положения и зависимостей обобщенной брэгговской расстройки от угла и длины волны считывания для дифрагированного света на основной и высших гармониках пространственно-неоднородных ДС. Полученное решение дифракционной задачи в последующих подразделах данной главы использовано для анализа динамики изменения дифракционных характеристик ДС во время их формирования: дифракционной эффективности, ширины полосы пропускания, уровня боковых лепестков и формы передаточной функции.

В подразделе 3.4 впервые получена математическая модель формирования ОГДР при постоянном оптическом поглощении ФПМ. При проведении численного моделирования впервые изучены временная трансформация пространственно неоднородных профилей ОГДР, неоднородность которых обусловлена только наличием поглощения. Главным

отличием от ПГДР является тот факт, что поглощение в отражающей геометрии приводит к пространственной неоднородности контраста интерференционной картины, ввиду чего профили (рис.1 б) для обоих областей параметра Ъ имеют локальный максимум при y=0.5d при симметричной геометрии.

На основе моделирования дифракционных характеристик показано, что поглощение приводит к изменениям ДХ относительно ОГДР с равномерным пространственным профилем, записанных в непоглощающих ФПМ. Так при ¿<1 (рис.2, кривые 3) поглощение в 4 Неп на стационарном уровне приводит к увеличению t|rf в 1.1 раза и уменьшению локального максимума в 2.5 раза, увеличению 2Д05 в 1.4 раза с наличием локального максимума, уменьшению tv.sz на 'ЗдК с локальным минимумом во временной точке соответствующей локальному максимуму r\d. При b> 1 поглощение в 4 Неп приводит на стационарном уровне к уменьшению ту в 1.5 раза, 2До5 увеличивается в 1.2 раза, a r\d sr уменьшается на 35дБ, но при времени записи порядка ЮГ„„ часто отвечающем экспериментальным условиям, происходит уменьшение гу в 1.75 раза, 2Д0 5 увеличивается в 1.1 раза, ат^ж уменьшается на25дБ.

В подразделе 3.S впервые разработана математическая модель формирования ОГДР при импульсном характере записывающего поля и фотоиндуцированном изменении поглощения (ФИП) ФПМ. Методы решения и форма представления решения аналогичны подразделу 2.6. Показано, что ФИП, как и для ПГДР, приводит к компенсации влияния поглощения на дифракционные характеристики ОГДР. Так как поглощение в задаче ПЭУ и импульсной записи не является принципиально важным, то основные результаты и выводы полностью совпадают с подразделом 2.6 для ПГДР.

В подразделе 3.6 впервые получена математическая модель записи ОГДР, учитывающая самовоздействие записывающих волн при малом контрасте. Основное отличие от решения для ПГДР обусловлено направлением дифрагированной волны от y=d к ^=0, поэтому, в отличии от ПГДР, амплитуда решетки увеличивается от y**d к у=0. Неоднородность профиля ОГДР и величина поворота вектора решетки существенно зависят от коэффициента связи Г и контраста интерференционной картины. При ¿>1 неоднородность амплитудного профиля ОГДР достигает 50%. На основе расчетов с помощью моделей с учетом самодифракции и без учета показано, что при Ь>\ в результате самовоздействия записывающих волн происходит увеличение r|d в 1.7 раза при /и0=0.01 ив 1.23 раза при та=0.3. Из расчета ДХ решетки при то=0.01 показано, что максимум дифракционной эффективности смещается в область уменьшения угла Брэгга на ~50% от полуширины полосы пропускания (рис.4 (в), ОГДР), что больше в 5 раз по модулю, чем для ПГДР (рис.4 (в), ПГДР) при прочих равных условиях.

В подразделе 3.7 впервые разработана самосогласованная математическая модель формирования ОГДР в поглощающем ФПМ, учитывающая взаимосвязь высших пространственных гармоник профиля

решетки. На векторных диаграммах показано, что для симметричной отражающей геометрии дифрагированные волны на всех высших пространственных гармониках находятся в одном угловом положении. Исследовано влияние поглощения на трансформацию неоднородных двумерных пространственных профилей ДС и их дифракционных характеристик. Показано, что динамика формирования пространственных профилей гармоник является нелинейной и существенно различной. Установлено, что взаимовлияние гармоник в поглощающем ФПМ при поглощении 2Неп сопровождается увеличением амплитуды первой гармоники ОГДР в 1.1 раза в начале и конце решетки ив 1.24 раза в середине решетки.

В подразделе 3.8 математическая модель записи ОГДР с учетом высших пространственных гармоник дополняется учетом самодифракции записывающих волн на высших пространственных гармониках, приводящей к формированию дополнительных дифракционных решеток (ДДР). Методика получения решения и форма представления являются аналогичными подразделу 2.10. В результате численного моделирования показано, что профили ДДР имеют квазипериодический амплитудно-фазовый профиль вдоль глубины решетки, причем увеличение средней величины амплитуды происходит в направлении от конца решетки к началу.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям и оптимизации дифракционных структур в ФПМ для оптических систем связи.

В подразделе 4.1 даны описания компьютеризированной экспериментальной установки для записи и исследования кинетики дифракционной эффективности ДР в ФПМ, блока управления установкой и программы обработки экспериментальных данных. Нелинейность системы съема информации менее 1%, динамический диапазон 19дБ. Суммарная относительная погрешность проведенных измерений составила 5.2%.

Описанные в данном подразделе экспериментальные исследования записи ПГДР были проведены в фотополимерном материале НРРМ-633, изготовленном в Лаборатории органических светочувствительных материалов Новосибирского Института Органической Химии СО РАН. Исследуемый фотополимер НРРМ-633 включает в себя поглощающий свет краситель (Methylene Blue), инициатор (triethanolamine), мономер (actylamide), сшивающий мономер (hexamethylenbis acrylamide) и связующий полимер (polyvinylalcohol).

Приведена методика определения материальных параметров (вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования дифракционной решетки, степени нелинейности скорости процесса фотолимеризации, коэффициента диффузии и скорости его изменения) из сопоставления экспериментальных кривых кинетики дифракционной эффективности с теоретическими при заданных условиях эксперимента: толщине материала, угле записи, поглощении ФПМ и скорости его фотоиндуцированного изменения, интенсивности засветки, времени

19

записи. Произведена оценка степени изменения дифракционных характеристик от параметров моделей, разработанных во второй и третьей главах.

Проведенные эксперименты по непрерывной и импульсной записи и данные оценки материальных параметров ФПМ. находящиеся в согласии с результатами других авторов, послужили экспериментальным подтверждением адекватности разработанных моделей по непрерывной и импульсной записи ПГДР в поглощающих ФПМ и с учетом ФИП, а также основных выводов о влиянии поглощения, соотношения времени полимеризации и времени диффузии на кинетику и величину дифракционной эффективности при непрерывной записи. ПЗУ и импульсной записи.

В подразделе 4.2 приведены результаты экспериментальных исследований зависимостей кинетики дифракционной эффективности ПГДР и угловой селективности (на стадии считывания) при непрерывной записи с малым контрастом, записи пучками с неоднородным амплитудно-фазовым распределением, записи с мониторингом второй пространственной гармоники. Для данной серии экспериментов была использована фотополимерная композиция (поглощающий свет краситель (Methylene Blue), инициатор (triethgnolamine). мономер (acrylamide). сшивающий мономер (bis-acrylamide) и связующий полимер (polyvinylalcohol)), разработанная в Национальном Ирландском Университете

Одним из основных результатов данной серии экспериментов было увеличение полосы пропускания ПГДР в ФПМ в 5 раз (9.4° при с/=85мкм) при записи пучками с амплитудно-фазовой неоднородностью, подтвердившее возможность использования ДС в ФПМ для систем передачи на основе полимерного оптического волокна, отличающихся большими частотно-угловыми спектрами излучения.

Из сопоставления экспериментальных результатов с теоретическими даны оценки материальных параметров исследованного материла, находящиеся в качественном согласии с результатами других авторов. Отклонение теоретических кривых от экспериментальных по кинетике дифракционной эффективности не превысило экспериментальной погрешности 5%. на основе чего сделано заключение об адекватности разработанных моделей по высшим пространственным гармоникам, самовоздействию записывающих волн при малом контрасте и по влиянию амплитудной и фазовой неоднородности записывающих пучков на дифракционные характеристики ПГДР.

В подразделе 4.3 приведены результаты оптимизации дифракционных характеристик ДС. В качестве исходных данных взяты экспериментально полученные оценки параметров исследованных образцов ФПМ. Рассчитаны зависимости максимальной дифракционной эффективности и времени ее достижения (оптимального времени записи), а также уровня боковых лепестков or угла записи, интенсивности записывающих пучков и поглощения ФПМ. В результате сформулированы методы и описана методика

оптимизации условий записи для получения ДС с заданными дифракционными характеристиками.

В подразделе 4.4 приведены графики зависимостей вносимых потерь от ширины частотно-углового спектра считывающего излучения (при равномерном распределении, для оценки максимальных вносимых потерь) для ПГДР и ОГДР при использовании в качестве мультиплексора/ демультиплексора в ВОСП-СР. Данные результаты позволяют определить условия записи необходимые для получения заданных вносимых потерь в зависимости от числовой апертуры волокна и ширины частотно-углового спектра источника излучения в оптической системе передачи (СП).

В подразделе 4.5 даны схемотехнические рекомендации по схемам записи ОГДР и по их использованию в однонаправленных и двунаправленных СП с двумя длинами волн для минимизации вносимых потерь и перекрестных искажений.

В подразделе 4.6 проведен расчет бюджета двунаправленной системы связи на основе ступенчатого (отвечающего наихудшей ситуации) полимерного волокна (ПОВ) с фотополимерными ОГДР в качестве мультиплексора/демультиплексора и сравнение с существующими аналогами. Основной сложностью использования ДС в системах с ПОВ является широкий угловой спектр излучения на выходе ПОВ, обусловленный диаметром волокна 1мм и числовой апертурой КА=0.5 для ступенчатого профиля и ЫА=0.3 для градиентного.

В Таб. 1 приведен бюджет линии для двунаправленной системы передачи (ДСП) с 50 м. полимерного оптического волокна (ПОВ) [1]. В качестве источников используются светодиоды (СД) с >-1=650нм и Яа=520нм, Л/^3дЕ=40нм и Д0.здв=ЗО°. Данные длины волн являются стандартными для ДСП на основе ПОВ.

Из Таб. 1 видно, что для каждой длины волны потери на разделение каналов составляет -12дБ для >.1=650 нм и -14дБ для Х.2=520 нм, включая потери на двух У-разветвителях и одном оптическом фильтре (ОФ), используемом для снижения уровня перекрестных помех. Одним из основных преимуществ использования ДС является совмещение У-разветвителя и ОФ в одной ДС. Таким образом, одна ДС должна вносить не более -6дБ потерь.

Таблица 1 - Бюджет линии ДСП на ПОВ 50 м с 520 нм/ 650нм [1].

СД У-разветв. 50 м. ПОВ ОФ 4 коннектора ФД

А.|=650 нм 0 дБ 5 дБ 7 дБ 2 дБ 6 дБ - 27 дБм

>-2=520 нм 0 дБ 5 дБ 9 дБ 4 дБ 6 дБ -27 дБм

На рис.6 схематично показаны оптимальные решения для использования ОГДР в двунаправленных системах передачи на основе ПОВ. На рис.6 использованы обозначения: СД - светодиод, ПОВ - полимерное оптическое волокно, ФД - фотодиод, Ов - ОГДР, записанная плоскими пучками, РО - ОГДР, записанная пучками с неоднородным амплитудно-

фазовым распределением. Так для системы, показанной на рис.6 (а) вносимые потери в каждый канал за счет ОГДР, записанной плоскими пучками в ФПМ ОиРоп ОтшБех Н11Р-700Х001-10 с ¿=10мкм, Ая=0.06, 6=5, при угле записи 11°, составили -3.75 дБ, включая потери на отражение. При этом перекрестные искажения не превысили уровень -32дБ.

4>Д1

ФД2

СД2 СД

ФД!

СД2 СД1

Рис.6

Для системы, показанной на рис.6 (б) с ОГДР, записанной пучками с гауссовым распределением амплитуды и угловым спектром одного из пучков 34° по уровню -ЗдБ в ФПМ ОиРоп ОтшЭех №^-700X001-20 с ¿£=20мкм, Ди=0.058, 6=5, вносимые потери уменьшились до -3.52 дБ и перекрестные искажения - до -37дБ.

Таким образом, результаты расчета подтвердили возможность использования ФПМ ОГДР в двунаправленных систем связи на основе ПОВ в качестве мультиплексоров.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Впервые разработаны математические модели, в виде аналитических решений, задачи нелинейной записи световыми пучками с амлитудно-фазовой неоднородностью пространственно неоднородных топографических дифракционных структур (ДС) с высшими пространственными гармониками в ФПМ при произвольных соотношениях вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи для оптических систем связи, позволяющие определить кинетику и вид пространственного амплитудно-фазового распределения создаваемых ДС.

2. Получено решение самосогласованной задачи считывания пространственно-неоднородных ДС с высшими пространственными гармониками произвольно поляризованным монохроматическим световым пучком. Решение получено с помощью метода возмущений для произвольной эффективности решетки в виде рекуррентных аналитических выражений для пространственно-временного распределения прошедшего и дифрагированных пучков.

3. Исследовано влияние поглощения на неоднородность профилей пространственных гармоник ДС в ФПМ и их трансформацию, вплоть до обратного распределения (в пропускающей геометрии), относительно распределения света, причем степень трансформации зависит от

соотношения скоростей полимеризации и диффузии (b). Показано, что в поглощающем ФПМ на стационарном уровне записи наблюдается увеличение дифракционной эффективности ПГДР до 6 раз (при ad=4 Hen) увеличение полосы пропускания ОГДР в 1.4 раза, и уменьшение уровня боковых лепестков ОГДР до -25дБ. Выявлено, что фотоиндуцированное изменение поглощения компенсирует влияния поглощения на пространственные профили и дифракционные характеристики ДС.

4. Установлено, что при переходе от непрерывной записи к записи импульсной последовательностью с длительностью импульсов и скважностью, определенными из соотношения скоростей диффузии и полимеризации, при быстро протекающей полимеризации и медленной диффузии происходит увеличение дифракционной эффективности ДС на стационарном уровне в несколько раз.

5. Исследовано влияние самовоздействия записывающих волн при формировании ДС в ФПМ, на пространственное распределение первой гармоники ДС. Показано, что данный эффект приводит к пространственной неоднородности амплитудно-фазового пространственного распределения первой гармоники ДС до 50%, увеличению дифракционной эффективности ДС до 1.7 раза, смещению максимума дифракционной эффективности в область увеличения угла Брэгга до 10% от ширины полосы пропускания для ПГДР и до 50% в область уменьшения угла Брэгга для ОГДР.

6. Показано, что в поглощающих ФПМ динамика формирования пространственных профилей гармоник является нелинейной и существенно различной, причем снижение амплитуды высших пространственных гармоник наблюдается при увеличении отношения скорости диффузии к скорости полимеризации Ь, снижение контраста интерференционной картины. Установлено, что самодифракция записывающих волн на высших пространственных гармониках ДС приводит к формированию дополнительных дифракционных решеток (ДЦР) с квазипериодичным распределением амплитуды и фазы профиля ДДР вдоль глубины решетки.

7. Проведены экспериментальные исследования непрерывной и импульсной записи ПГДР, записи при малом контрасте, записи с мониторингом второй пространственной гармоники, записи пучками с неоднородным амплитудно-фазовым профилем. Определены материальные параметры исследованных ФПМ: величина и скорость изменения коэффициента диффузии, время и степень нелинейности скорости процесса полимеризации.

8. Проведена оптимизация дифракционных характеристик ДС в ФПМ, получены зависимости максимальной дифракционной эффективности, оптимального времени формирования, уровня боковых лепестков от интенсивности записывающих пучков, угла записи, поглощения

материала. Установлены зависимости вносимых потерь для ДС в ФПМ от ширины частотно-углового спектра излучения с равномерным распределением, позволяющие определить условия записи необходимые для получения заданных вносимых потерь в зависимости от числовой апертуры волокна и ширины частотно-углового спектра источника излучения в оптической системе передачи (СП).

9. Даны схемотехнические рекомендации по схемам записи ОГДР и их использованию в однонаправленных и двунаправленных СП с двумя длинами волн для минимизации вносимых потерь и перекрестных искажений. Проведен расчет двунаправленных систем передачи на основе полимерного оптического волокна с фотополимерной отражающей голографической дифракционной решеткой в качестве мультиплексора/демультиплексора с оценкой вносимых потерь и перекрестных искажений. Показано, что использование ОГДР дает уменьшение вносимых потерь до 9дБ при оптимальной схеме использования в двунаправленной системе передачи на полимерном оптическом волокне с двумя длинами волн по сравнению с аналогичной системой с Y-разветвителями и оптическими фильтрами.

10. Разработано программное обеспечение по расчету дифракционных характеристик ДС в ФПМ и оптимизации передаточных характеристик оптических мультиплексоров/демультиплексоров на их основе (вносимые потери и перекрестные искажения), зарегистрированное в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

В приложении приведены документы об использовании результатов работы, копия свидетельства об отраслевой регистрации разработки № 5020 «Пакет программ «Расчет и оптимизация голографических дифракционных структур в фотополимерных материалах», зарегистрированного в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ», и рекламно-техническое описание программного обеспечения.

Цитируемая литература:

1. Werner Daum, Jurgen Krauser, Peter Zamzow, Olaf Zïemann "Polyrner optical fiber for data communication", Springer - 2002.

Основные результаты диссертации изложены в работах:

1. Шарангович С.Н., Сысуев В.В., Довольное Е.А. Временная эволюция дифракционных характеристик голограмм в фотополимерах // Известия Гомельского государственного университета им. Ф.Скорины. - 2001. -№6(9).-С. 70-74.

2. Kovalenko Е., Sysuev V., Sharangovich S, Dovolnov E. Expérimental research of processes of a record of holograms in photopolymers II Proc SPIE «Optoelectronic Information System and Processing"-2001.-Vo!.4513.-P.75-82.

24

3. Sharangovich S., Dovolnov E. Results of experimental investigation of recording trasparent holograms in absorbent photopolymers and matching them with the analytical model // Proc. SPIE of Second Asia - Pacific Conf. on fund, probl. of opto and microelectronics APCOM-2002. - 2002. - Vol. 5129. - P. 229-235.

4. Шарангович C.H., Довольное E.A. Описание постэкспозиционного усиления голограмм в фотополимерах с учетом фотоиндуцированного поглощения // Сб. Докл. Всеросс-ой научно-практ. конф. "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления». Том 1. -Томск: Томск, гос. ун-т систем упр-я и радиоэлект-ки. - 2002. - С. 165-167.

5. Sharangovich S., Dovolnov Е. Research of recording processes of transmitted holographic gratings in absorbent photopolymeric materials // Proc. SPIE. «Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals". - 2002. -Vol. 5257. -P. 214-221.

6. Довольное E.A., Шарангович C.H., Устюжанин C.B. Формирование пропускающих и отражательных голографических решеток с заданными характеристиками в фотополимерной среде при фотоиндуцированном поглощении // Сб. статей молодых ученых. «Современные проблемы физики, технологии и инновационного развития» -Томск: Изд-во Том. унта, 2003. - С. 94-96.

7. Sharangovich S., Dovolnov Е. Record and postexpositional self-amplification of holographic grating in photopolymer films with light-induced optical attenuation // Proc. SPIE «Enabling Photonic Technologies for Aerospace Applications V»,- 2003. - Vol. 5104. - P. 116-127.

8. Довольное E.A., Кузнецов B.B., Шарангович C.H. Волновая фильтрация и мультиплексирование в волоконно-оптических системах передачи на основе высокоэффективных фотополимерных дифракционных решеток. // "Методы и устройства передачи и обработки информации": Межвуз. Сб. науч. Тр. - Вып.З/ под ред. В.В. Ромашова, В.В. Булкина. - СПб.: Гидрометеоиздат, 2003. - С. 104-115.

9. Sharangovich S., Dovolnov Е. Analytical solution for nonlinear dynamics of photopolymer Bragg gratings at pulse recording // Proc. SPIE "ROMOPTO 2003: Seventh Conference on Optics". - 2004. -Vol. 5581. - P. 531-542.

10. Довольное E.A., Кузнецов B.B., Шарангович C.H. Оценка возможности применения пропускающих фотополимерных дифракционных решеток в волоконно-оптических системах передачи // «Электронные средства и системы управления». Мат. Всерос. научно-практ. конф., Томск: изд. ИОА СО РАН, 2003. - С. 154-157.

11. Sharangovich S., Dovolnov Е. Models of holographic record of reflection and transmitted diffraction gratings in optical absorbent photopolymeric materials // Proc. SPIE"Organic Optoelectronics and Photonics". -2004. -Vol. 5464. -P.399-410.

12 Sharangovich S., Dovolnov E. Experimental determination and optimization of parameters of holographic recording m photopolymers with light-induced changing of optical absorption // Proc SPIE "Organic Optoelectronics and

Photonics". - 2004. -Voi. 5464. - P.41 M20.

13. Довольное E.A., Шаранговнч C.H. Исследование динамики формирования отражательных фотополимерных дифракционных решеток световыми пучками с неоднородными амплитудно-фазовыми профилями II Сб. науч. тр. Всерос. н.-т. конф., Томск, Россия, в трех частях, 4.2. -2004. -С. 3-6.

14. Довольное Е.А., Шаранговнч С.Н., Шароваров Е.В. Формирование и считывание пропускающих дифракционных решеток ограничеными световыми пучками в фотополимерных материалах // Сб. науч. тр. Всерос, н.-т. конф., Томск, Россия, в трех частях, 4.2. - 2004. - С. 15-19.

15. Довольное Е.А., Пен Е.Ф., Шаранговнч С.Н., Шелковников В.В. Формирование топографических дифракционных решеток пропускающего типа в поглощающих фотополимерных средах // Изв. вузов. Физика. -2004.-Т.48. -№7. - С.78-87.

16. Довольное Е.А., Шаранговнч С.Н. Теоретическое сравнение фотополимерных материалов на основе кинетики записи дифракционных решеток // 14 М-нар. Крымская конф. "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии'' (КрыМиКо 2004). Севастополь, 13-17сентября 2004 г.: Мат. конф., - Севастополь: "Вебер", 2004. - С. 560-561.

17. Dovolnov Е., Sharangovich S. Investigation of influence of photopolyraerization processes on kinetics of transmission and reflection gratings record in absorbent photopolymer materials // Proc of Forth Asia -Pacific Conf. "Fundamental problems of opto and microelectronics" (APCOM'2004). - Khabarovsk, 2004, Russia. - P. 142-146.

18. Dovolnov E-. Sharangovich S. Analysis of kinetics of photopolymer holographic grating formation with inharmonic spatial distribution // Proc of Forth Asia - Pacific Conf. "Fundamental problems, of opto and microelectronics" (APCOM'2004). - Khabarovsk, 2004, Russia.-P. 147-151.

19. Dovolnov E., Sharangovich S.. Pen E., Shelkovnikov V. Analytical and experimental investigations of nonlinear dynamics of photopolymer Bragg gratings at pulse recording H Proc. SP1E "Advanced Optoelectronics and Lasers". - 2004. -Vol. 5582. - P. 304-314.

20. Dovolnov E.A., Sharangovich S.N., Bunge C.-A. Design of wavelength coupler on the base of photopolymeric gratings for POF data systems // Proc. 13л International Plastic Optical Fibres Conference 2004, Nuernberg, Germany. -2004.-P. 559-566.

21. Довольное E.A., Шаранговнч C.H. Теория записи отражательных дифракционных решеток амплитудно-неоднородными световыми пучками в фотополимерах с фотоинлуцированным изменением поглощения II Труды третьей международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики". СПб. 18-21 октября 2004. / Под ред. проф. В.Г. Беспалова, проф. С.А. Козлова, СПб: СПбГУ ИТМО, 2004.-С.275-277.

22. Довольное Е.А., Шаранговнч С.Н. Отражающие голографические

дифракционные решетки в поглощающих фотополимерных средах // Изв. вузов. Физика. - 2005.-Т. 49. -№ 3. - С.62-70.

23. Довольное Е.А., Шарангович С.Н., Ноздреватых Б.Ф., Смирнов В.П. Запись пропускающих дифракционных решеток в фотополимерном материале при малых контрастах с учетом самодифракции // Научная сессия ТУСУР-2005: Мат. Всерос. н.-т. конф., Томск, Россия, в четырех частях, 4.1. -2005. -С.310-313.

24. Довольное Е.А., Устюжанин С.В., Ноздреватых Б.Ф., Шарангович С.Н. Формирование апподизированных дифракционных решеток в фотополимерных жидкокристаллических композиционных материалах // Современные проблемы радиоэлектроники: Сб. научн. тр. Красноярск: ИПЦКГТУ,2005 -С.632-635.

25 Dovolitov Е., Sharangovich S„ Sheridan J.T. Theoretical and experimental investigation of photopolymer chiiped gratings formation II Photorefractive Effects, Materials, and Devices 2005 (PROS), OSA' Trends in Optics and Photonics Series (TOPS).-2005.- Vol.99, P. 337-342.

26 Dovolnov E., Sharangovich S., Sheridan J.T. Inharmonic theoretical models for photopolymers gratings formation // Photorefractive Effects, Materials, and Devices 2005 (PR05), OSA Trends in Optics and Photonics Series (TOPS).-2005,-Vol.99, P. 469-474.

27 Довольное E.A., Шарангович С.Н Нелинейная модель записи и считывания голографических дифракционных решеток пропускающего типа в поглощающих фотополимерах. 1. Теоретический анализ // Изв. вузов. Физика. -2005.-Т. 49. -№ 5. - С.56-63.

28. Довольное Е.А., Шарангович С.Н Нелинейная модель записи и считывания голографических дифракционных решеток пропускающего типа в поглощающих фотополимерах. 2. Численное моделирование и эксперимент И Изв. вузов. Физика. -2005.-Т.49. -№7. -С.85-92.

29. Довольное Е.А., С.Н. Шарангович, БФ. Ноздреватых, А.А. Шабанов, Р.Ю. Батаногов Теоретическое и экспериментальное исследование формирования фотополимерных дифракционных решеток с учетом высших пространственных гармоник // Изв вузов Физика. -2005 -Т.49. - № 6. Приложение. - С. 105-106.

30. Довольное Е.А., Шарангович С.Н. Формирование дополнительных дифракционных решеток в фотополимерном материале в результате двухволнового смешения // Изв. вузов. Физика. -2005. Т.49. - № 6. Приложение. - С. 79-80.

31. Довольное Е.А., Шарангович С.Н. Теоретические и экспериментальные исследования записи и считывания амплитудно-неоднородных голографических решеток с изменяющимся периодом в фотополимерном материале // Изв. вузов. Физика. -2005.-Т.49. - № 6. Приложение. - С. 81-82.

32. Eugene A. Dovolnov, Sergey N. Sharangovich Theoretical analysis of kinetics of nonlinear process of formation of non-uniform photopolymer holographic grating // Proc. of the Second LASTED International Multi-Conference Communication systems (ACIT-CS), Novosibirsk, Russia. - 2005. - P. 33-38.

РНБ Русский фонд

2006-4 11921

И4 873

Тираж 80. Заказ 783. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 40

Введение.

1 Голографическая запись в фотополимерных средах.

1.1 Материалы для голо графической записи.

1.2 Голографические фотополимерные материалы (ФПМ).

1.3 Голографические дифракционные решетки в ФПМ.

Выводы по главе.

Постановка задачи.

2 Пропускающие голографические дифракционные решетки (ПГДР) в поглощающих ФПМ.

2.1 Выражения для светового поля.

2.2 Кинетические уравнения голографической записи в ФПМ.

2.3 Общий вид решения задачи формирования пространственно неоднородных ПГДР

2.4 Дифракционные свойства пространственно неоднородных ПГДР.

2.5 Влияние поглощения ФПМ на характеристики ПГДР.

2.6 Учет импульсного характера записывающего поля и фотоиндуцированного изменения поглощения ФПМ.

2.6.1 Описание процесса фотоиндуцированного изменения поглощения ФПМ.

2.6.2 Этап записи ПГДР во время длительности светового импульса.

2.6.3 Этап постэкспозиционного усиления ПГДР.

2.6.4 Результаты численного моделирования.

2.7 Самовоздействие записывающих волн при малом контрасте.

2.8 Учет неоднородности амплитудно-фазового распределения записывающих световых пучков.

2.9 Учет высших пространственных гармоник ПГДР.

2.10 Самодифракция записывающих волн на высших пространственных гармониках ПГДР

2.11 Выводы по главе.

3 Отражающие голографические дифракционные решетки (ОГДР) в поглощающих ФПМ

3.1 Выражения светового поля.

3.2 Общий вид решения задачи формирования пространственно неоднородных ОГДР

3.3 Дифракциониые свойства пространственно неоднородных ОГДР.

3.4 Влияние поглощения ФПМ на характеристики ОГДР.

3.5 Учет импульсного характера записывающего поля и фотоиндуцированного изменения поглощения ФПМ.

3.5.1 Этап записи ОГДР во время длительности светового импульса.

3.5.2 Этап постэкспозиционного усиления ОГДР.

3.5.3 Результаты численного моделирования.

3.6 Самовоздействие записывающих волн при малом контрасте.

3.7 Учет высших пространственных гармоник.

3.8 Самодифракция записывающих волн на высших пространственных гармониках

Выводы по главе.

4 Экспериментальные исследования и оптимизация характеристик фотополимерных дифракционных структур для оптических систем связи.

4.1 Экспериментальные исследования записи ПГДР в фотополимерпом материале НРРМ-633.

4.1.1 Описание компьютеризированной экспериментальной установки.

4.1.2 Описание программы обработки экспериментальных данных.

4.1.3 Методика определения параметров на основе сопоставления экспериментальных данных с теоретической моделью.

4.1.4 Непрерывная запись и постэкспозициоппое усиление ПГДР.

4.1.5 Влияние параметров материала и условий эксперимента па кинетику дифракционной эффективности ПГДР.

4.1.6 Кинетика дифракционной эффективности ПГДР при записи импульсной последовательностью.

4.2 Экспериментальные исследования кинетики записи и угловой селективности ПГДР в ФПМ на основе акриламида.

4.2.1 Описание экспериментальной установки и методика определения параметров ФПМ.

4.2.2 Запись и считывание ПГДР при малом контрасте.

4.2.3 Определение второй пространственной гармоники ПГДР.

4.2.4 Запись и считывание ПГДР пучками с неоднородным амплитудно-фазовым распределением.

4.3 Оптимизация экспериментальных условий записи ПГДР и ОГДР в ФПМ.

4.4 Расчет вносимых потерь ПГДР и ОГДР при использовании в качестве мультиплексора/демультиплексора.

4.5 Схемотехнические решения для использованию ДС в ВОСП на основе ПОВ.

4.6 Двунаправленные оптические системы передачи на полимерном оптическом волокне с ОГДР в качестве мультиплексора/демультиплексора.

Выводы по главе.

Одним из основных направлений современного научно-технического прогресса является развитие волоконно-оптических систем связи, обеспечивающих возможность передачи на значительные расстояния чрезвычайно большого объема информации с наивысшей скоростью. Хотя данные системы связи уже нашли самое широкое применение, проблема их совершенствования и развития остается по прежнему актуальной. Возможность передачи такого большого количества информации по волоконно-оптическим линиям связи связана с использованием технологии уплотнения по длине волны (WDM/DWDM), использующей селективные свойства оптических дифракционных структур (ДС). Поиск новых материалов, обеспечивающих долговременную стабильность, низкий уровень шумов и высокую фоточувствителыюсть, в последние годы существенно активизировался. Особенно большое внимание уделяется средам для голографической записи информации, таким как, фоторефрактивные кристаллы, фотополимерпые материалы (ФПМ), композиционные материалы на основе ФПМ с жидкокристаллической (ЖК) компонентой (ФПМ-ЖК), последние в свою очередь позволяют создать динамически управляемые селективные по длине волны оптические коммутаторы для оптических систем связи и обработки информации.

Голографический метод создания дифракционных решеток в указанных материалах является наиболее удобным. В настоящее время исследования голографической записи в ФПМ все больше переходят в плоскость применения, благодаря возможности создания в ФПМ-ЖК нано - размерных матриц, фотонных кристаллов и управляемых периодических дифракционных структур, которые находят обширные применения в области оптической связи и обработки информации.

Перспективность ФПМ обусловлена высокой разрешающей способностью стабильностью записи, высокой дифракционной эффективностью, возможностью управления селективными и дифракционными свойствами, относительной дешевизной материала. Основным преимуществом фотополимеров является то, что голограммы в них формируются в процессе записи и не нуждаются в дополнительной химической обработке.

Целенаправленный поиск фоточувствительных сред требует построения теоретических моделей оптической записи. В случае голографической записи эти построения связаны с решением задач о многоволновых взаимодействиях световых пучков в нелинейной среде. Для стационарных взаимодействий эти задачи уже рассмотрены в литературе в различных приближениях. Динамические модели записи построены лишь для некоторых частных случаев.

Создание теоретических моделей записи и считывания в ФПМ периодических дифракционных структур голографическими методами, позволит моделировать и оптимизировать характеристики данных структур и методики их получения. На данный момент именно голографический способ создания жидкокристаллических матриц с наноразмерами и фотонных кристаллов в фотополимерных средах^гявляется перспективным и наиболее часто интенсивно исследуемым. Рассматриваемые вопросы являются важным этапом в создании оптических динамически управляемых структур с наноразмерами, востребованными в телекоммуникационных системах.

Целью диссертационной работы является создание математических моделей и методики расчета процессов формирования голографических ДС в ФПМ, определение степени влияния внутренних параметро^материала и условий формирования на пространственно-временные амплитудно-фазовые распределения ДС и их дифракционные характеристики. Определение методов динамической оптимизации дифракционных характеристик формируемых ДС.

Основные задачи, определяемые целью работы: исследование кинетики и вида пространственного амплитудно-фазового распределения пропускающих и отражающих фазовых ДС в ФПМ и их дифракционных характеристик: дифракционной эффективности, угловой и частотной селективности, - в зависимости от: поглощения и его фотоиндуцированного изменения, соотношения вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи, нелинейности процесса фотополимеризации по интенсивности света, самодифракции и самовоздействия записывающих волн, амплитудных и фазовых профилей записывающих пучков.

Методы исследования. Теоретический анализ формирования ДС в ФПМ основывался на теории радикальной полимеризации, а дифракции - на решении уравнений связанных волн методом медленно-меняющихся амплитуд и методе возмущений. При обработке экспериментальных результатов по записи и считыванию пропускающих ДС в ФПМ использовались полученные теоретические модели, для оценки параметров материала путем сопоставления результатов численного моделирования и экспериментальных исследований кинетики формирования ДС и ее угловой селективности.

В работе используются: теория радикальной полимеризации, элементы геометрической и волновой оптики, теория связанных воли, метод медленно-меняющихся амплитуд, метод возмущений, преобразование Фурье, операторный метод решения интегро-дифференциальных уравнений, операторный метод решения матричных уравнений.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Методика расчета и анализ формирования пространственно неоднородных фотополимеризационных ДС, основанные на обобщении фотополимеризационно-диффузиониой теории формирования дифракционной решетки в поглощающих ФПМ.

2. Пространственная неоднородность отношения скорости диффузии к скорости полимеризации, обусловленная вдоль глубины решетки поглощением ФПМ, а вдоль вектора решетки амплитудно-фазовой неоднородностью записывающих пучков, приводит к формированию ДС с неоднородным пространственным распределением -динамической аподизации пространственного профиля ДС. При отставании во времени диффузионного механизма записи от полимеризациоиного увеличение данного отношения приводит к возрастанию эффективности решетки, а в обратном случае - к уменьшению.

3. Подавление высших пространственных гармоник ДС в поглощающих ФПМ осуществляется, когда поглощение приводит к превышению полимеризациоиного механизма записи над диффузионным особенно при выраженной нелинейности полимеризациоиного механизма записи.

4. Поглощение ФПМ приводит к динамической аподизации пространственного профиля ДС, сопровождающейся снижением уровня боковых лепестков, и изменению оптимального соотношения времен полимеризации и диффузии, при котором дифракционная эффективность ДС достигает максимальной величины.

Достоверность полученных диссертантом результатов основывается на корректности постановки задач исследований, высоком теоретическом уровне их решения, использовании апробированных теоретических методов и обоснованных приближений. Достоверность теоретических и расчетных результатов подтверждается: переходом полученных в работе моделей и результатов моделирования при упрощающих допущениях к известным результатам, как на стадии аналитического решения, так и на стадии численного моделирования, подтверждением всех основных результатов теоретических расчетов экспериментальными данными, полученными как самим автором, так и другими авторами, и соответствием полученных материальных параметров экспериментально исследованных ФПМ со значениями, представленными в литературе.

Достоверность экспериментальных результатов по кинетике записи и угловой селективности базируется на использовании известных экспериментальных методик при помощи измерительной аппаратуры с известными характеристиками, ^ повторяемости результатов, ^ согласии с результатами других авторов. Основные результаты диссертации опубликованы в научных журналах и неоднократно докладывались на всероссийских и международных конференциях и симпозиумах.

Научная новизна диссертационной работы выражается в следующих теоретических и экспериментальных результатах, впервые полученных автором:

1. В разработанных математических моделях формирования пропускающих и отражающих голограф ических дифракционных структур в фотополимерном материале, позволяющих исследовать вид пространственно-временного амплитудно-фазового распределения создаваемых структур и их дифракционные характеристики, определяющие дифракционную эффективность, угловую и частотную селективность. Модели, полученные в виде аналитических решений, учитывают следующие факторы: о произвольную степень нелинейности скорости процесса фотополимеризации по интенсивности света, о поглощение и его фотоиндуцированное изменение, о контраст интерференционной картины, о произвольное соотношение скоростей полимеризации и диффузии, о формирование решеток последовательностью импульсов, с длительностью импульсов сопоставимой с характерными временами полимеризационных и диффузионных процессов, о самовоздействие записывающих волн при малом контрасте, приводящее к изменению пространственного распределения записывающего светового поля и, соответственно, формированию первой гармоники ДС с измененным амплитудно-фазовым профилем, о высшие пространственные гармоники амплитудного профиля дифракционной решетки, о самодифракцию записывающих волн на высших пространственных гармониках, приводящую к формированию дополнительных дифракционных решеток, о амплитудную и фазовую модуляция записывающих пучков.

• В проведенном на основе созданных моделей численном анализе пространственных профилей пропускающих и отражающих ДС и их дифракционных характеристик, подтвердившем трансформацию неоднородности пространственных профилей и важное влияние учета таких факторов, как соотношение скоростей диффузии и полимеризации, соотношения интенсивностей записывающих пучков, поглощения фотополимерного материала и нелинейности скорости процесса полимеризации по интенсивности света.

• В проведенном экспериментальном исследовании, показавшем адекватность основных разработанных моделей и позволившем оценить область параметров материала и условий записи, в которой необходимо использование той или иной разработанной модели. На основе сопоставления экспериментальных и теоретических результатов дана оценка материальных параметров исследованных ФПМ: вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов формирования ДС, величину и скорость изменения коэффициента диффузии, степени нелинейности скорости процесса фотолимеризации.

• В экспериментально обнаруженном и теоретически описанном эффекте самодифракции записывающих волн на высших пространственных гармониках записываемой дифракционной структуры, приводящем к формированию дополнительных дифракционных решеток.

Практическая значимость проведенных исследований заключается в следующем:

1. В разработанных математических моделях, позволяющих определить условия формирования ДС в поглощающем фотополимерном материале, при которых наличие поглощения приводит к аподизации пространственного амплитудного профиля дифракционной структуры, уменьшению амплитуд высших пространственных гармоник амплитудного профиля, увеличению дифракционной эффективности.

2. В разработанном на основе созданных математических моделей программном обеспечении по расчету дифракционных характеристик пропускающих и отражающих голографических дифракционных структур, позволяющем осуществить динамическую оптимизацию передаточной функции ДС, определить оптимальные условия формирования (время, углы записи и амплитудно-фазовое распределение записывающих пучков) для получения ДС с заданной дифракционной эффективностью, шириной полосы пропускания и перекрестными помехами в угловой и частотной областях. Разработанное программное обеспечение «Пакет программ «Расчет и оптимизация голографических дифракционных структур в фотополимерных материалах» зарегистрировано в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

3. В показанном пути аподизации трехмерного пространственного профиля ДС и оптимизации дифракционных характеристик, путем выбора амплитудно-фазового распределения записывающих пучков в зависимости от внутренних параметров материала.

4. В увеличении дифракционной эффективности ДС на стационарном уровне в несколько раз при переходе от непрерывной записи к записи импульсной последовательностью с длительностью импульсов и скважностью, определенными из соотношения скоростей диффузии и полимеризации, при быстро протекающей полимеризации и медленной диффузии.

5. В применимости разработанных математических моделей формирования ДС в фотополимерном материале с инертной компонентой и полученных на их основе методике расчета и программного обеспечения, для описания динамически формируемых и управляемых внешними полями ДС на основе композиционных фотополимерных материалов, используемых в качестве оптических фильтров и мультиплексоров/демультиплексоров для оптических систем связи.

6. В представленных зависимостях вносимых потерь для фотополимерных пропускающих и отражающих голографических ДС от ширины частотно-углового спектра излучения с равномерным распределением и в проведенной оптимизации дифракционных характеристик ДС в ФПМ.

7. В представленных схемотехнических рекомендациях по формированию и использованию отражающих ДС в однонаправленных и двунаправленных волоконно-оптических системах передачи со спектральным разделением каналов

ВОСП-СР) и проведенном расчете двунаправленных систем передачи на основе полимерного оптического волокна с фотополимерной отражающей ДС в качестве мультиплексора/демультиплексора с оценкой вносимых потерь и перекрестных искажений.

Внедрение. Результаты диссертационной работы использованы:

• в Новосибирском институте органической химии Сибирского отделения РАН (НИОХ СО РАН) при оптимизации фотополимерных композиций в НИР «Дизайн функциональных светочувствительных органических материалов» в рамках программы РАН «Направленный синтез химических соединений с заданными свойствами»;

• в Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР) на кафедре «Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники» (СВЧ и КР) при выполнении НИР ГБ 1.7.97 «Изучение оптоэлектронных и акустооптических взаимодействий в фоторефрактивных кристаллах, фотополимерных средах функциональных устройств оптических систем связи и обработки информации», НИР ГБ 5.00.1 «Новые принципы построения устройств функциональной электроники для систем связи и обработки информации на основе фоторефрактивных и акустооптоэлектронных процессов и явлений», НИР 711 по проекту: «Исследование наноразмерных динамически управляемых дифракционных периодических структур в фотополимеризующихся жидкокристаллических композиционных материалах» ведомственной научной программы "Развитие научного потенциала высшей школы" в 2005 г, а также при курсовом и дипломном проектировании студентов;

• в Сибирском государственном университете телекоммуникаций и информатики (СибГУТИ) на кафедре «Линий связи» и в ТУСУР на кафедре СВЧ и КР в виде реализованных компьютерных лабораторных работ для студентов по расчету демультиплексоров для ВОСП-СР.

В приложении приведены акты об использовании результатов работы и копия свидетельства об отраслевой регистрации разработки «Пакет программ «Расчет и оптимизация голографических дифракционных структур в фотополимерных материалах» в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

Полнота изложения материалов диссертации в опубликованных работах.

Основное содержание работы опубликовано в 32 основных работах, включая 5 в рецензируемых периодических журналах (4 - в Известиях вузов. Физика, 1 - в Вестнике

Гомельского государственного университета им. Ф.Скорины), 1 - в межвузовском сборнике научных трудов центрального издательства «Гидрометеоиздат», 8 в трудах SPIE, 18 докладов в трудах конференций (в том числе 3 в приложении к журналу «Известия вузов. Физика»),

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции "Problem of Interaction of Radiation with Matter" (Belarus, 2001), на Международных азиатско-тихоокеанских конференциях «Fundamental problems of Opto- and Microelectronics» APCOM-2001,2002,2004 (Russia), на III-VI школах-семинарах молодых ученых «Современные проблемы физики и технологии» (Россия, 2002, 2003, 2004, 2005), на IX Международной конференции «Nonlinear Optics of Liquid and Photorefractive Crystals» (Ukraine, 2002), на Всероссийской научно-практической конференции "Проблемы современной радиоэлектроники и систем управления» (Россия, 2003), на 17-ом международном симпозиуме «Aerosence» на конференции "Enabling Photonic Technologies for Aerospace Applications V" (USA, 2003), на 7-й международной конференции по оптике «ROMOPTO 2003» (Romania, 2003), на Всероссийской научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Россия,

2003), на международной конференции «Photonics Europe: Organic Optoelectronics and Photonics» (France, 2004), на Всероссийских научно-технических конференциях «Научная сессия ТУСУР» (Россия, 2005), па 14-ой Международной Крымской конференции "СВЧ техника и телекоммуникационные технологии" КрыМиКо (Украина, 2004), на 13-ой международной конференции «International Plastic Optical Fibres Conference» (Germany,

2004), на международной конференции "Фундаментальные проблемы оптики" (Россия,

2004), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники» (Россия, 2005), на П-ой международной конференции IASTED «International Multi-Conference Communication systems» ACIT-CS (Russia, 2005), на Международной конференции «Photorefractive Effects, Materials, and Devices 2005» (China,

2005).

Структура, объем и содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и приложения. Полный объем диссертации - 195 страниц, включая 64 рисунка и 10 таблиц.

Выводы по главе

В данной главе были представлены результаты экспериментальных исследований по записи и считыванию Г1ГДР в ФПМ. Для экспериментов были использованы два разных фотопйлимерных материала. На основе сопоставления экспериментальных кривых кинетики и угловой селективности ПГДР были оценены макропараметры (вклады и скорости поли мер изационного-диффузионного и диффузионного механизмов формирования дифракционной решетки, степень нелинейности скорости процесса фотолимеризации, скорость изменения коэффициента диффузии) исследованных материалов. Данные оценки находятся в хорошем качественном согласии с результатами других авторов. Также была показана необходимость учета тех или иных факторов в определенных задачах из сопоставления макропараметров материала для одних образцов при различных условиях записи.

Погрешность сопоставления экспериментальных кривых с теоретическими не превышает экспериментальной погрешности, из чего делается заключение о достоверности полученных теоретических моделей и их приемлемости для оптимизации дифракционных характеристик ДС в ФПМ.

Результаты сопоставления эксперимента с теорией и теоретические модели формирования и считывания ДС в ФПМ были использованы для оптимизации композиции ФПМ (концентрации компонент) с целью получения заданных параметров в Новосибирском институте органической химии СО РАН.

Полученные результаты оптимизации условий записи ДС в ФПМ и зависимости вносимых потерь от ширины углового спектра считывающего излучения для равномерного распределения, использованы для расчета двунаправленной системы передачи на основе полимерного оптического волокна. Расчеты мультиплексора/демультиплексора на основе ОГДР показали вносимые потери от -3.52 дБ до -3.75 дБ (вместо -12дБ при использовании У-разветвителя и интерференционного фильтра в [82]) и перекрестные искажения от -32дБ до -37дБ для ОГДР, записанной плоскими пучками, и ОГДР, записанной пучками с амплитудно-фазовой неоднородностью, соответственно. Этот результат позволил сделать заключение о целесообразности использования ОГДР в ФПМ для ДСП на ПОВ.

Заключение

1. Впервые разработаны математические модели, в виде аналитических решений, задачи нелинейной записи световыми пучками с амлиту дно-фазовой неоднородностью пространственно неоднородных голографических дифракционных структур (ДС) с высшими пространственными гармониками в ФПМ при произвольных соотношениях вкладов и скоростей полимеризационного и диффузионного механизмов записи для оптических систем связи, позволяющие определить кинетику и вид пространственного амплитудно-фазового распределения создаваемых ДС.

2. Получено решение самосогласованной задачи считывания пространственно-неоднородных ДС с высшими пространственными гармониками произвольно поляризованным монохроматическим световым пучком. Решение получено с помощью метода возмущений для произвольной эффективности решетки в виде рекуррентных аналитических выражений для пространственно-временного распределения прошедшего и дифрагированных пучков.

3. Исследовано влияние поглощения на неоднородность профилей пространственных гармоник ДС в ФПМ и их трансформацию, вплоть до обратного распределения (в пропускающей геометрии), относительно распределения света, причем степень трансформации зависит от соотношения скоростей полимеризации и диффузии (6). Показано, что в поглощающем ФПМ на стационарном уровне записи наблюдается увеличеиие дифракционной эффективности ПГДР до 6 раз (при ох1=А Неп) увеличение полосы пропускания ОГДР в 1.4 раза, и уменьшение уровня боковых лепестков ОГДР до -25дБ. Выявлено, что фотоиндуцированпое изменение поглощения компенсирует влияния поглощения на пространственные профили и дифракционные характеристики ДС.

4. Установлено, что при переходе от непрерывной записи к записи импульсной последовательностью с длительностью импульсов и скважностью, определенными из соотношения скоростей диффузии и полимеризации, при быстро протекающей полимеризации и медленной диффузии происходит увеличение дифракционной эффективности ДС на стационарном уровне в несколько раз.

Исследовано влияние самовоздействия записывающих волн при формировании ДС в ФПМ, на пространственное распределение первой гармоники ДС. Показано, что данный эффект приводит к пространственной неоднородности амплитудно-фазового пространственного распределения первой гармоники ДС до 50%, увеличению дифракционной эффективности ДС до 1.7 раза, смещению максимума дифракционной эффективности в область увеличения угла Брэгга до 10% от ширины полосы пропускания для ПГДР и до 50% в область уменьшения угла Брэгга для ОГДР.

Показано, что в поглощающих ФПМ динамика формирования пространственных профилей гармоник является нелинейной и существенно различной, причем снижение амплитуды высших пространственных гармоник наблюдается при увеличении отношения скорости диффузии к скорости полимеризации Ь, снижение контраста интерференционной картины. Установлено, что самодифракция записывающих волн на высших пространственных гармониках ДС приводит к формированию дополнительных дифракционных решеток (ДДР) с квазипериодичным распределением амплитуды и фазы профиля ДДР вдоль глубины решетки.

Проведены экспериментальные исследования непрерывной и импульсной записи ПГДР, записи при малом контрасте, записи с мониторингом второй пространственной гармоники, записи пучками с неоднородным амплитудно-фазовым профилем. Определены материальные параметры исследованных ФПМ: величина и скорость изменения коэффициента диффузии, время и степень нелинейности скорости процесса полимеризации.

Проведена оптимизация дифракционных характеристик ДС в ФПМ, получены зависимости максимальной дифракционной эффективности, оптимального времени формирования, уровня боковых лепестков от интенсивности записывающих пучков, угла записи, поглощения материала. Установлены зависимости вносимых потерь для ДС в ФПМ от ширины частотно-углового спектра излучения с равномерным распределением, позволяющие определить условия записи необходимые для получения заданных вносимых потерь в зависимости от числовой апертуры волокна и ширины частотно-углового спектра источника излучения в оптической системе передачи (СП).

9. Даны схемотехнические рекомендации по схемам записи ОГДР и их использованию в однонаправленных и двунаправленных СП с двумя длинами волн для минимизации вносимых потерь и перекрестных искажений. Проведен расчет двунаправленных систем передачи на основе полимерного оптического волокна с фотополимерной отражающей голографической дифракционной решеткой в качестве мультиплексора/демультиплексора с оценкой вносимых потерь и перекрестных искажений. Показано, что использование ОГДР дает уменьшение вносимых потерь до 9дБ при оптимальной схеме использования в двунаправленной системе передачи на полимерном оптическом волокне с двумя длинами волн по сравнению с аналогичной системой с У-разветвителями и оптическими фильтрами.

10. Разработано программное обеспечение по расчету дифракционных характеристик ДС в ФПМ и оптимизации передаточных характеристик оптических мультиплексоров/демультиплексоров на их основе (вносимые потери и перекрестные искажения), зарегистрированное в «Отраслевом фонде алгоритмов и программ».

1. Gabor D. Microscopy by reconstructed wavefronts, Proc. Royal Soc., ser.A,197, 1949, рус пер. в книге: Строук «Введение в когерентную оптику и голографию». М.: Мир, 1967, с.218-301

2. Gabor D. Microscopy by reconstructed wavefronts II, Proc. Royal Soc., ser.B, 64, 1951, рус пер. в книге: Строук «Введение в когерентную оптику и голографию». М.: Мир, 1967, с.218-301.

3. Оптическая голография: Пер. с англ./Под ред. Колфилда Г. М.: Мир, 1982 - Т. 1.

4. Оптическая голография: Пер. с англ./Под ред. Колфилда Г. М.: Мир, 1982 - Т. 2 .

5. Кольер Р., Беркхарт К., Лин JI. Оптическая голография. М.: Мир, 1973.

6. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоточувствительные среды в голографии и оптической обработке информации. М.: Наука, 1982.

7. Винецкий В.Л, Кухтарев Н.В. Динамическая голография. Киев: Наукова думка, 1983.

8. Евтихиев Н.Н., Евтихиева О.А., Компанец И.Н. Информационная оптика: Учебное пособие для вузов / Ред. Н.Н.Евтихиева. М.: Издательство МЭИ, 2000.

9. Передереева.С.И, Козенков В.М, Кисилица П.П. Фотополимеры для голографии. -Л.:Наука. 1998

10. Акаев А.А., Гуревич С.Б., Жумалиев К.М. Голографические системы хранения и выборки информации. — Бишкек-СПб.: Илим. 2000.

11. Багдасарьян Теория радикальной полимеризации. М.: Наука. 1966.

12. Ваганов Р.Б., Кацеленбаум Б.З. Основы теории дифракции. М.: Наука. 1982.

13. Lawrence J.R., O'Neill F.T., Sheridan J.T. Photopolymer holographic recording material. // Optik (The international journal for light and electronic optics), 2001. - V. 112, N. 10. - P. 449-463.

14. Gambogi W.J., Weber A.M., Trout T.J. Advances and Applications of DuPont Holographic Photopolymers /'/' Proc. SPIE. 1993. - V.2043, P. 2-13.

15. Смирнова Т.Н., Сахно О.В., Стрелец И.А., Тихонов Е.А. Температурная стабильность и лучевая прочность голографических решеток на фотополимерных материалах // ЖТФ. -1998.-Т. 68.-№6.-С. 105-134.

16. Rhee U.S., Caulfield H.J., Shamir J., Vikram C.S., Mirsalehi M.M., Characteristics of the DuPont photopolymers for angularly multiplexed page-oriented holographic memories // Opt.о 172

17. Eng. 1993. - V. 32 - P. 1839-1847.

18. Гаврилов Г.А., Маурер И.А., Муратиков K.J1., Писаревская С.А., Сотникова Г.Ю. Краевые эффекты при записи пропускающих голографических решеток на фотополимерном материале // Оптика и спектроскопия. 1995. - Т. 78. - № 2. - С. 3 12315.

19. Kostuk R. Dynamic hologram recording characteristics in DuPont photopolymers // Appl. Opt. -1999.-V. 38,No8, P. 1357-1363.

20. Lougnot D.J., Turck C. Photopolymers for holographic recording: III. Time modulated illumination and thermal post-effect// Pure Appl. Opt. 1992. - V. 1. - P. 269-279.

21. Close D.H., Jacobson A.D., Magerum R.C., Brault R.G., McClung F.J. Hologram recording on photopolymer materials // Applied Physics Letters. 1969. -- V. 14. - N. 5. - P. 159-160.

22. Jenney J.A. Holographic Recording with Photopolymers // J. Opt. Soc. Amer. 1970. - V. 60. -N9.-P. 1155-1161.

23. Sugawara S., Murase K., Kitayama T. Holographic recording by dye-sensitized photopolymerization of acrylamide (E) // Appl. Opt. 1975. - V. 14. - N. 2. - P. - 378-382.

24. Sukegawa K., Sugawara S., Murase K. Holographic recording by Fe3+ sensitizedphotopolymerization // Electron. Commun. Jap. 1975. - V. 58-C(l 1). - P. - 132-138.

25. Sadlej "N., Smolinska B. Stable photo-sensitive polymer layers for holography // Optics and Laser Technology. 1975. - P. - 175-179.

26. Jeudy M. J., Robillard J. J. Spectral photosensitisation of a variable index material for recording phase holograms with high efficiency // Optics Communications. 1975. - V. 13. -N. l.-P. 25-28.

27. Calixto S. Dry polymer for holographic recording // Appl. Opt. 1987. - V. 26. - P. 39043910.m

28. Гюльназаров Э.С., Смирнова Т.Н., Тихонов Е.А. Анализ спектрально-угловых характеристик фазовой дифракционной решетки на фотополимеризующейся композиции // ЖТФ. 1987. - Т. 57. - № 5. - С. 932-936.

29. Fimia A., Lopez N., Mateos F., Sastre R., Pineda J., Amat-Gueri F. New photopolymer used as a holographic recording material // Appl. Opt. 1993. - V. 32. - P. 3706-3707.

30. Герасимова Т.Н., Константинова А.В., Пен Е.Ф., Сишоков A.M., Шелковников В.В. Исследование голографических характеристик при записи обьемных фазовых голограмм в фотополимерном материале // Автометрия. -1993. -JV«. 4. С. 23-30.30.