Исследование самодифракции сложных световых пучков в фоторефрактивных кристаллах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

Список сокращений

Введение

1 Основы эффекта фоторефракции

1.1 Введение.

1.2 Процесс формирования голографических решеток в ФРК

1.2.1 Фоточувствительные центры в ФРК.

1.2.2 Процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда

1.2.3 Процессы переноса свободных носителей заряда

1.2.4 Процесс формирования поля пространственного заряда

1.2.5 Линейный электрооптический эффект в ФРК.

1.2.6 Система уравнений, описывающая процесс формирования голографических решеток в ФРК.

1.3 Решение системы уравнений, описывающей процесс формирования поля пространственного заряда.

1.3.1 Решение для нулевого порядка малости.

1.3.2 Решение для первого порядка малости.

1.3.3 Стационарный режим записи.

1.4 Двухволновое взаимодействие света в фоторефрактивных кристаллах.

1.4.1 Постановка задачи и вывод основных уравнений

1.4.2 Процессы перекачки энергии при двух-волновом взаимодействии света в ФРК.

1.4.3 Нестационарные механизмы записи голографических решеток в ФРК.

1.4.4 Фенинг.

1.5 Случай примесей двух сортов.

1.5.1 Постановка задачи.

1.5.2 Решение для первого порядка малости.

2 Двойное некогерентное обращающее зеркало

2.1 Введение.

2.2 Постановка задачи.

2.3 Вывод основных уравнений.

2.3.1 Поля падающие на кристалл слева.

2.3.2 Поля падающие на кристалл справа.

2.3.3 Вывод уравнений для среды

2.3.4 Окончательный вид уравнений.

2.4 Численные расчеты модели двойного некогерентного обращающего зеркала.

2.4.1 Динамика генерации в схеме двойного некогерентного обращающего зеркала.

2.4.2 Запись-стирание голографических решеток.

3 Полулинейный генератор

3.1 Введение.

3.2 Постановка задачи.

3.3 Вывод основных уравнений.

3.3.1 Поля падающие на кристалл слева.

3.3.2 Поля падающие на кристалл справа.

3.3.3 Вывод уравнений для среды

3.3.4 Окончательный вид уравнений.

3.4 Численные расчеты модели полулинейного генератора

В последнее время большой интерес вызывает такая область научной деятельности, как обработка информации. Связано это с бурным ростом, который наблюдается в последние пол века в данной области. Возрастают вычислительные мощности, но еще большими темпами возрастают объемы информации. В данный момент основные вычислительные средства построены на базе полупроводниковой техники. Основной характерной чертой таких устройств является то что обработка информации в них осуществляется последовательно. Это вполне подходит для численных расчетов, но совершенно не подходит для таких, актуальных в данный момент времени задач, как распознавание изображений, поиск информации по нечетким критериям в больших объемах данных и многих других.

Объединяет данные задачи, то что с ними довольно неплохо справляется природа, в частности человеческий мозг. Мозг является по сути своей аналоговой вычислительной машиной, которая состоит из множества простейших элементов - нейронов, которые осуществляют обработку информации параллельно. Внутренняя структура самих нейронов проста, по сравнению со внутренней структурой ядра полупроводниковых (цифровых) вычислительных машин - микропроцессора, но структура конгломерата этих нейронов, который мы называем мозгом - несравненно сложнее.

В настоящее время именно параллелеризм обработки информации представляется наиболее перспективным направлением развития вычислительной техники. В частности традиционные электронно-вычислительные машины (ЭВМ) объединяются в кластеры. Кластер представляет собой совокупность отдельных, простых, ЭВМ объеденненых посредством сети в одно общее целое. Кластер по реализации похож на мозг, но по сути от него очень сильно отличается. Основные отличия состоят в том, что отдельный элемент кластера представляет собой сложное устройство и то что таких элементов, прежде всего в силу их высокой сложности, а следовательно, и высокой цены, мало.

В данный момент времени уже видны пределы в развитии полупроводниковой вычислительной техники. Данный факт заставляет искать новые явления природы, которые могут быть использованы в обработке информации. Особое место здесь занимает оптическая обработка информации. Примерно до середины 20-го века оптическая и электронная вычислительная техника развивались одинаковыми темпами. В то время особо остро стояли задачи численных расчетов, что привело к быстрому росту именно цифровых ЭВМ. В настоящее время, когда появились новые задачи - все больший интерес стала вызывать оптическая обработка информации. Основной отличительной чертой которой является параллелелизм.

Оптическая обработка информации выигрывает за счет параллельной обработки именно на больших объемах данных, и проигрывает ЭВМ на малых объемах. Большое количество работ посвящено реализации различных математических алгоритмов на базе оптики. В частности в [1] рассматривается оптическая реализация модели Хопфилда - простейшей модели работы нейронных сетей. В данной модели основные вычислительные мощности тратятся на перемножение матриц. Посредством оптики данная операция может быть реализована более эффективно. В работах [2] и [3] на базе оптики реализованы некоторые математические методы распознавания оптических образов.

Основным недостатком этих работ является то что в них недостаточно широко используются средства предоставляемые для данных задач оптикой. В частности, оптика используется в качестве особого вычислительного средства, позволяющего эффективно решать определенный круг математических задач. Вместе с тем очевидно, что для реализации систем распознавания оптических образов надо записывать соотношения между различными образами, т. е. реализовать так называемую ассоциативную память [4]. Для этой цели в описанных выше работах используются простые транспаранты. Вместе с тем в оптике известны другие методы реализации ассоциативной памяти. В этой связи стоит прежде всего отметить динамическую голографию. Обыкновенная оптическая голография, открытая еще Габором [5], имеет дело с восстановлением оптических изображений. Динамическая голография позволяет перезаписывать изображения и, следовательно, идеально подходит в качестве средства реализации ассоциативной памяти и может быть использована для построения устройств распознавания оптических образов. Существуют работы [6] в которых на базе ФРК реализованы устройства ассоциативной голографической памяти.

Кроме того последние исследования [7] позволяют нам надеяться на построение устройств для хранения больших объемов данных в основе которых также лежит динамическая голография. Теоретически ожидаемая плотность хранения данных в таких устройствах составляет 1Т6 на кубический сантиметр теоретически исследователи ожидают плотностей записи порядка (10^1). Для сравнения - используемый в данный момент магнитный способ записи позволяет записывать данные с плотностью ( Ю^г) и это без учета размеров самих устройств. При этом в устройствах голографической памяти будут отсутствовать движущиеся части, что позволит использовать данные устройства в специфических условиях, таких например, как невесомость.

В основе динамической голографии лежит фоторефрактивный эффект, который состоит в изменении показателя преломления так называемых фоторефрактивных кристаллов (ФРК) под действием падающего света. Таким образом, в ФРК записывается голографические решетки, в дальнейшем падающий свет испытывает дифракцию на данных решетках. В результате происходит перераспределение энергии в падающих световых пучках. Данное явление носит название явления самодифракции.

На базе явления самодифракции построено большое количество разнообразных схем обращения волнового фронта. В данных схемах фоторефрактивный кристалл, работает в качестве особого зеркала, которое обращает волновой фронт падающей на него световой волны. Это значит что фазовая структура "отраженного" светового пучка является обращенной по отношению к фазовой структуре падающего светового пучка. Схемы обращения волнового фронта (ОВФ) являются основными элементами в оптических системах распознавания образов, построенных на ФРК.

Данные устройства кроме применений в области оптической обработки информации могут использоваться также для компенсации фазовых искажений в различных оптических устройствах и прежде всего в резонаторах лазеров. В этой связи особый интерес представляет схема полулинейного генератора - которая является как бы частью резонатора лазера с помещенным туда фоторефрактивным кристаллом.

К настоящему моменту времени имеется большое количество работ [8], [9] в которых рассматривается самодифракция света в ФРК. В большинстве работ рассматриваются граничные состояния: пороговые условия генерации [13], [14] или же стационарные режимы генерации [10]. С другой стороны для задач распознавания оптических образов особый интерес представляет именно процесс развития генерации, временные характеристики данного процесса: за какое время достигается стационарное состояние и от чего данное время зависит? При ответе на данный вопрос нельзя пренебрегать таким характерным свойством ФРК как фенинг - широкоугловое рассеяние света на шумовых решетках. Фенинг в ФРК с одной стороны представляет собой шум, который ухудшает свойства приборов на базе ФРК, с другой стороны именно фенинг является затравкой на начальном этапе генерации в схемах ОВФ. В большинстве работ, как например в [11] для упрощения теоретических выкладок влиянием фенинга пренебре-гается. Существуют работы в которых исследуется сам фенинг как таковой [25]. Влияние фенинга на характеристики ОВФ рассмотрено не достаточно подробно. Пожалуй единственная такая попытка была сделана в [12]. Основной проблемой в данной работе является то что рассмотрение производилось в приближении плоских волн, при этом фенинг заменялся на дополнительную плоскую волну. Вместе с тем известно, что сам фенинг имеет сложное распределение по угловым координатам и замена его на плоскую волну представляется сильным допущением. Особо стоит отметить работы [13] и [14]. В [13] рассматриваются пороговые условия геиерации в модели полулинейного генератора, а в [14] - система из двух связанных ФРК. Основной отличительной особенностью этих работ является то, что в них учитывается влияние фенинга на пороговые условия, при этом фенинг рассматривается как совокупность большого числа плоских волн. Но в этих работах рассматривалась динамика генерации в начальный момент времени. Теоретическое исследование динамики в моменты времени при которых амплитуды взаимодействующих световых пучков не малы -не рассматривалось в виду сложности вычислительных расчетов.

В данной работе была сделана попытка рассмотреть влияние фенинга на развитие генерации в различных моделях на базе ФРК. При этом рассмотрение ведется в предположении сложной структуры взаимодействующих световых пучков.

Актуальность темы диссертации. Поиск новых способов хранения и обработки информации предполагает поиск и изучение новых областей физики. Одной из таких областей, является динамическая голография. В настоящее время накоплен большой объем знаний по природе фоторефрак-тивного эффекта. Исследованы различные схемы обработки оптической информации на базе ФРК. Достаточно хорошо исследованы пограничные состояния: начальные моменты записи решеток и стационарные состояния. Еще больший интерес представляет динамика записи голографических решеток. Теоретическое исследование этой задачи представляется трудоемкой задачей, поэтому в большинстве случаев при рассмотрении этой задачи пренебрегают некоторыми, порой очень важными эффектами, в частности фенингом. Все это вместе взятое обуславливает актуальность исследований, направленных на изучение динамики записи голографических решеток в ФРК.

Цель работы. Настоящая работа направлена на создание адекватной модели взаимодействия сложных световых пучков в ФРК. Основное внимание при этом уделялось решению следующих проблем:

• учету влияния фенинга на характеристики различных оптических схем, использующих ФРК, прежде всего рассматривались схемы двойного некогерентного обращающего зеркала (наиболее общая схема) и схема полулинейного генератора

• учету влияния дополнительных примесей в ФРК

• разработке эффективных программ расчета характеристик данных схем

Научная новизна. Построена общая модель самодифракции света в ФРК с учетом влияния фенинга. При этом дифрагирующие лазерные пучки представляются не плоскими волнами, а в более общем случае - световыми пучками со сложным распределением по угловым координатам. Данная физическая модель является наиболее близкой к действительности. На базе этой модели исследованы процессы записи голографических решеток в схеме двойного-некогерентного обращающего зеркала и схеме полулинейного генератора с большим числом поперечных мод. В схеме двойного некогерентного обращающего зеркала впервые проведены расчеты записи голографических решеток в предположении сложного характера примесей ФРК.

На защиту выносятся следующие основные положения:

1. Показано, что построенная общая модель самодифракции света в ФРК, адекватно описывает экспериментально наблюдаемые эффекты в схеме ДНОЗ и в схеме полулинейного генератора.

2. Показано, что модель ФРК с числом примесей больше 1 хорошо описывает экспериментально наблюдаемые процессы записи-стирания голографических решеток в ФРК.

3. Показана принципиальная возможность распознавания оптических образов в оптических системах на базе ФРК посредством разности времен восстановления записанных и записываемых оптических образов.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. Предложенная теория записи голографических решеток в ФРК позволяет рассчитывать характеристики оптических систем распознавания оптических образов на базе ФРК.

2. Исследование процессов генерации в схеме полулинейного генератора представляет собой большой интерес в связи с созданием новых устройств компенсации фазовых искажений волновых фронтов в резонаторах лазеров. Данные исследования позволяют улучшать характеристики лазерного излучения.

Апробация работы. Основные результаты, полученные автором, опубликованы в 6 печатных работах. Они неоднократно докладывались в СПбГ-ТУ, СПбБГТУ, а также на следующих конференциях:

Заключение и выводы

В представленной работе построена общая модель самодифракции света в ФРК с учетом влияния фенинга. При этом дифрагирующие лазерные пучки представляются не плоскими волнами, а в более общем случае -световыми пучками со сложным распределением по угловым координатам. Данная физическая модель является наиболее близкой к действительности. На базе этой модели исследованы процессы записи голографических решеток в схеме двойного-некогерентного обращающего зеркала и схеме полулинейного генератора с большим числом поперечных мод. В схеме двойного некогерентного обращающего зеркала впервые проведены расчеты записи голографических решеток в предположении сложного характера примесей ФРК. Соответствие расчетных данных экспериментальным, позволяет сделать вывод об адекватности предложенной теоретической модели самодифракции света в ФРК.

К основным результатам работы относятся следующие:

1. Построена общая модель самодифракции света в ФРК с учетом влияния фенинга.

2. Составлены программы для расчета ДНОЗ и полулинейного генератора на базе ФРК.

3. Продемонстрировано применение данных программ для расчета временных характеристик в экспериментах на запись-стирание голографических решеток в ДНОЗ.

4. Расчеты, проведенные в рамках данной работы показали хорошее совпадение с экспериментальными данными. Расчеты позволили объяснить некоторые особенности динамики генерации обращенной волны, экспериментально наблюдаемые в ДНОЗ и полулинейном генераторе, как то осцилляции интенсивности обращенной волны в установившемся режиме ДНОЗ и полулинейного генератора, "площадка" предшествующая стационарному режиму генерации обращенной волны в схеме полулинейного генератора и т. п.

5. Показано, что модель ФРК с числом примесей больше 1 хорошо описывает экспериментально наблюдаемые процессы записи-стирания решеток в ФРК.

6. Исследована генерация в схеме полулинейного генератора с большим числом поперечных мод.

7. Показано, что экспериментально наблюдаемая "площадка", предшествующая стационарному режиму генерации в схеме полулинейного генератора, соответствует установившемуся режиму слабо выделенной моды в случае, когда в резонаторе полулинейного генератора присутствует несколько мод.

Результаты данной работы могут быть использованы для построения оптических схем с использованием ФРК. Прежде всего это следует отнести к полученным результатам по записи — стиранию голографических решеток в ФРК. Показано, что можно различать записанные в ФРК голограммы по времени выхода на стационарный режим обращенной волны в схеме ДНОЗ. Данные результаты позволяют нам строить оптические устройства распознавания оптических образов на базе ФРК. В частности, очевидно будет работать схема в которой оптические образы записываются в ФРК по схеме ДНОЗ. В качестве одного из световых пучков в ДНОЗ используется записываемый оптический образ, а в качестве второго - подаваемые под разными углами (для каждого из записываемых образов -свой угол) плоские волны. В результате, если при распознавании одновременно с неизвестным оптическим образом подавать все плоские волны, используемые при записи, то очевидно первой по времени, будет появляться обращенная плоская волна, соответствующая той, которая использовалась при записи данного оптического образа. Таким образом, по времени выхода на стационарный уровень обращенной волны в ДНОЗ можно судить о том записан или нет тот или иной оптический образ в ФРК. Кроме того в качестве дальнейшего развития данной работы следует указать на то, что расчет полулинейного генератора проводился в приближении примесей одного сорта в ФРК. При этом остались без объяснения некоторые экспериментально наблюдаемые особенности динамики генерации обращенной волны в схеме полулинейного генератора. Можно надеяться, что модель ФРК с числом примесей более 1 будет более адекватно описывать данную схему.

Благодарности автора. Экспериментальные графики, использованные в данной работе (кроме рис. 2.17, взятого из [42]), были получены на кафедре квантовой электроники СПбГТУ Никифоровым Ф. Н. и Фанкони Вильаром А. В заключение автор хочет выразить благодарность Петрунь

125 кину В. Ю., идеи которого были положены в основу данной работы. Особую благодарность надо выразить Никифорову Ф. Н., без экспериментальных исследований которого невозможно было бы отобрать из всего громадного массива расчетных данных именно те, которые соответствуют действительности и, на основании чего, сделать основные выводы по данной работе.

В работах выполненных совместно с Никифоровым Ф. Н., Петруньки-ным В. Ю. и Водоватовым И. А. автору принадлежит теоретическая часть и численные расчеты.

1. Farhat N. Н., Psaltis D., Prata А., Раек E. Optical implemenatation of the Hopfield model // Applied Optics. - 1985. - v. 24. - p. 1469-1475.

2. Lin X., Ohtsubo Ju. Optical neural networks with terminal attractors for pattern recognition. // Optical Engineering. 1996. - v. 35, N 8. - p. 21452152.

3. Lu Т., Wu S., Yu. T. S. Neural network model using interpattern association. // Applied Optics. 1990. - v. 29, N 2. - p. 284-288.

4. Athale R. A., Szu H. H., Friedlander С. В. Optical implementation of associative memory with controlled nonlinearity in the correlation domain. // Optics Letters. 1986. - v. 11,N 7. - p. 482-484.

5. Gabor D. A. A new microscopic principle. // Nature. 1948. - v. 161, N 4098. - p. 777-778.

6. Soffer В. H., Dunning G. J., Owechko Y., Marom E. Associative holographic memory with feedback using phase-conjugate mirrors. // Optics Letters. -1986. v. 11, N 2. - p. 118-120.

7. Aristov V. V. Optical memory of three-dimensional holograms. // Opt. Commun. 1971. - v. 3, N 3. - p. 194-196.

8. Петров М.П., Степанов С.И., Хоменко А.В. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике. С. Петербург: Наука, 1992. 320 с.

9. Eichler H. J., Gunter P., Pohl D. W. Laser-Induced Dynamic Gratings. -Berlin: Springer-Verlag, 1986. 250 p.

10. Horowitz М., Kligler D., Fischer В. Time-dependent behavior of photorefractive two- and four-wave mixing. // Journal of the Optical Society of America B. 1991. - v. 8, N 10. - p. 396 - 409.

11. Зозуля А. А. Влияние фенинга на характеристики самонакачивающихся систем четырехволнового смешения в фоторефрактивных средах. // Квантовая электроника. 1992. - т. 19, №8. - с. 733 - 751.

12. Бельдюгина П. И., Мамаев А. В., Шкунов В. В. Динамика самостарта генерации в полулинейном ОВФ-зеркале с большим числом поперечных мод. // Квантовая электроника. 1992. - т. 19, №7. - с. 691-697.

13. Бельдюгина П. И., Шкунов В. В. Динамика самостарта и порог генерации в системе двух связанных двойных ОВФ-зеркал. // Квантовая электроника. 1994. - т. 21, №3. - с. 234-236.

14. Chen F. S. Optically induced change of refractive indices in LiNbO3 and LiTaOz- j j Journal of Applied Physics. 1969. - v. 40, N 8. - p. 3389-3396.

15. Petrunkin V. Ju., Vodovatov I. A., Murashko I. V. An effect of fanning on the characteristics of double phase-conjugate mirror. // Proceedings of SPIE. 1999 v. 3687. - p. 42-48.

16. Kukhtarev N.V., Markov V.B., Odulov S. G. et al. Holographic storage in electrooptic crystals. I. Steady state. // Ferroelectrics. 1979. - v 22. - p. 949-960.

17. Valley G. C., Lam Ju. F. Theory of photorefractive effects in electro-optic crystals. // Topic in Applied Physics v.61 Photorefractive Materials and their applications I. Findamental phenomena, p. 75 Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 1988, p. 75-98.

18. Valley G. C., Klein M. B. Optimal properties of photorefractive materials for optical data processing. // Optical Engineering. 1983. - v.22, N 6. - p. 704-711.

19. Ashkin A., Boyd G. D., Dziedzic J. M. et al. Optically-induced, refractive index inhomogeneities in LiNbO3 and LiTaOj, // Applied Physics Letters. 1966. - v. 9, N 1. - p. 72-74.

20. Peltier M., Micheron F. Journal of Applied Physics. 1977. - v. 48. - p. 3683.

21. Feinberg J., Heiman D., Tanguary A. R., Hellwarth R. W. Journal of Applied Physics. 1980. - v. 51. - p. 1297.

22. Gunter P. Physics Reports. 1983. - v. 9. - p. 200.

23. В. В. Обуховский, Процессы фоторефрактивного рассеяния света в кристаллах. Диссертация на соискание ученой степени доктора физ.-мат. наук. Киев: КГУ, 1989.

24. Петрунькин В.Ю., Водоватов И.А. Теория дифракции света на ультразвуке (изотропные среды). // Известия ВУЗов. Радиофизика. 1983. -т. 26. - с. 1570.

25. Водоватов И.А., Плисс Н.С., Попова Л.П. и др. К вопросу об акустическом взаимодействии в приборах отклонения и модуляции света, // Научное приборостроение. 1991. - N 2. - с. 165.

26. Водоватов И.А., Плисс Н.С., Попова Л.П. и др. Метод интегральных уравнений в задачах самодифракции света в нелинейных средах. // Радиотехника и электроника. 1994. - т. 37. - с. 1939.

27. П. А. Вайнштейн. Электромагнитные волны, М. : Радио и связь, 1988.

28. Степанов С. П., Трофимов Г. С. Механизмы голографической записи в фоторефрактивных кристаллах со сложной структурой примесных уровней. // ЖТФ. 1985. - т. 55, N 3. - с. 559-567.

29. Канаев И. Ф., Малиновский В. К. Рассеяние света в кольцо и дуги в кристаллах LiNBO3. // Физика твердого тела. 1996. - т. 38, N 10. - с. 3029-3041.

30. Zozulya A. A. Double phase-conjugate mirror is not oscillator. // Optics letters. 1991. - v. 16, N 8. - p. 545-547.

31. Zozulya A. A., Saffman M., Anderson D. Z. Double phase-conjugate mirror:convention and diffraction. // Journal of the Optical Society America B. -1995. v. 12, N 2. - p. 255-264.

32. Мурашко И. В. Порог генерации в модели двойного обращения. I Всероссийская научная конференция студентов-радиофизиков. Тезисы докладов. 1997. - с. 72-74.

33. Ф.Н. Никифоров, И.В. Мурашко, И.А. Водоватов и др. Динамика двойного обращения волновых фронтов в фоторефрактивных кристаллах. // Письма в ЖТФ. 2000. - т. 26, N 2. - с. 77-85.

34. Nikiforov F. N., Murashko I. V., Petrun'kin V. Yu. et al. The Dynamics of Double Reversal of Wave Fronts in Photorefractive Crystals. // Technikal Physics Letters. 2000. - v. 26, N 1. - p. 81-84.

35. Psaltis D., Brady D., Wagner K. Adaptive optical networks using photorefractive crystals. // Applied Optics. 1988. - v. 27, N 9. - p. 17521759.131

36. Wunsch D. С., Morris D.J. et al. Photorefractive adaptive resonans neural network, // Applied Optics. 1993. - v. 32, N 8.

37. He Q.B., Yeh P., Gu C., Neurgaonkar R.R. Multigrating competition effects in photorefractive mutually pumped phase conjugation. // Journal of the Optical Society of America B. 1992. - v. 9, N 1.

38. Петров М.П., Колфилд Х.Д., Мокрушина E.B. Некогерентное двойное обращающее зеркало на Бг^ГгОго- // Квантовая электроника. 1992. - т. 19, N 3. - с. 289-294.

39. Cronin-Golomb М., Fisher В., Nilsen J. et al. Laser with dynamic holographic intracavity distortion correction capability. // Applied Physics Letters. 1982. - v. 41, N 3. - p. 219-220.