Теоретическое исследование пространственных структур поля в оптических бистабильных системах с тепловым механизмом нелинейности тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР 'ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ имени С.И. ВАВИЛОВА"

На правах рукописи

РГБ ОД

л О ОПТ "

Федоров Александр Владимирович

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР ПОЛЯ В ОПТИЧЕСКИХ БИСТАБИЛЬНЫХ СИСТЕМАХ С ТЕПЛОВЫМ МЕХАНИЗМОМ НЕЛИНЕЙНОСТИ

(Специальность 01.04.21 - лазерная физика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1994

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации обусловлена возможностью и потребностью использования пространственно протяжённых би--стабильных оптических устройств (БОУ) для реализации параллельных операций в оптических устройствах обработки информации, необходимостью учёта конечных размеров реальных устройств или каналов многоканальных устройств и связи между каналами, и возможностью реализации принципиально новых методов обработки информации на основе эффектов пространственной распределённости бистабильных оптических устройств.

К началу работы над диссертацией исследование эффектов пространственной распределенности представляло собой сравнительно новую задачу в теории оптической бистабильности. Ранее были рассмотрены волны переключения между однородными состояниями широкоапертурного БОУ и гистерезис профиля интенсивности прошедшего пучка при нормальном падении излучения на такое устройство. Не было исследовано поведение волн переключения и проявления пространственного гистерезиса при произвольных углах падения излучения на устройство.

Не были исследованы критические условия и пространственная кинетика переключений в широкоапертурных БОУ с локализованными неоднородностями.

Ранее изучались эффекты раздельно либо продольной, либо поперечной распределенности (по отношению к направлению распространения излучения) БОУ. Эффекты, существенно связанные с совместной распределенностью в продольном и поперечных направлениях, не .рассматривались, и не делалось попыток дать их последовательное описание.

Ранее не рассматривались возможности поперечного транспорта и обработки дискретной информации на - основе эффектов поперечной распределенности при управлении поддерживающим излучением.

Кеизученность проблем, связанных с эффектами пространственной распределенности бистабильных систем, определила постановку вопросов, раскрытых в диссертации. Применение аналитических методов решения модельных задач, приближённых к реальным условиям, и компьютерного моделирования позволило

1986); на 1 Всесоюзной конференции по оптической обработке информации (Ленинград, 1988); на международной конференции по нелинейной оптике "и бистабильности полупроводников (Берлин, ФРГ, 1988); на VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (С.-Петербург, 1990); на международной конференции "Нелинейная динамика в оптических системах" (Афтон, Оклахома, 'США, 1990); на Х17 международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (С.-Петербург, 1991); на международной конференции "Хаос в оптике" (Сан-Диего, США, 1993); на Международной конференции по оптической обработке информации (С.-Петербург, 1993).

Материалы диссертации опубликованы в 17 печатных работах, список которых приведён в конце автореферата.

Защищаемые положения:

1. Переключения в реальных шрокоавзртурных оптических устройствах абсорбционной бистабильности инициируются неоднородностями этих устройств, что приводит к снижению порогов переключения и сужению интервалов бистабильности. При переключениях неодаородностями имеет место аналог явления критического замедления.

2. При наклонном падении излучения на слой среды с термоогггической нелинейностью существенно изменяются условия и кинетика пространственного гистерезиса, появляется возможность однонаправленного движения противоположных границ переключённой области широкоапертурного устройства.

3. В оптических бистабшгьных устройствах на возрастающем поглощении, пространственно протяженных в продольном и поперечных направлениях, процесс переключения в состояние высокого поглощения заключается в нагреве нелинейной среды в определенной области до состояния высокого поглощения с последующим распространением весьма крутого температурного фронта навстречу излучению.

4. В пространственно протяженных оптических бистабшгьных устройствах на возрастающем поглощении при засветке их пучком излучения, фокусированным вблизи задней грани нелинейного образца, пульсации мощности прошедшего пучка при постоянной мощности падающего определяются периодическим

В главе рассматривается безрезонаторная схема абсорбционной оптической бистабильности, одномерно распределенная в направлении, поперечном по отношению к направлению распространения излучения. Температурное состояние схемы описывается уравнением теплопроводности, усреднённым по продольной координате.

Установлено, что для широкого спектра возрастающих зависимостей коэффициента поглощения от , температуры при падении на схему' плоской волны с интенсивностью г из интервала бистабильности т . < I < I одно из двух устойчивых

пи п и так ^ и

пространственно-однородных стационарных состояний является стабильным, а другое — метастабильным (переключаемым большими локальными возмущениями).

Проведенным анализом условий срыва метастабильного состояния локальной неоднородностью коэффициента поглощения полушириной и амплитудой л найдены зависимости от этих двух параметров критического значения интенсивности'падающего излучения , при достижении которого происходит переключение метастабильного состояния в стабильное. При возрастании значения любого из этих характерных параметров критическая интенсивность переключения удаляется от границы интервала бистабильности, тем самым сужая область гистерезиса.

Кинетика переключений изучалась компьютерным моделированием усредненного по продольной координате нестационарного уравнения теплопроводности.

В соответствии с результатами расчетов переключение в изучаемой системе, например, на неоднородности с повышенным коэффициентом поглощения, происходит следующим образом. Если интенсивность падающего излучения I превосходит критическую, т > / , то температура в окрестности неоднородности растёт до значения, соответствующего верхней ветви гистерезисной зависимости. Гранины переключённого участка бистабильной схемы, представляя собой волны переключения, разбегаются от неоднородности, переключая бистабильное устройство по мере своего распространения.

Скорость инициированных волн переключения убывает при увеличении ширины или амплитуды неоднородности поглощения, поскольку при этом значение критической интенсивности

переключённой области (правой {V ) и левой (^) волн переключения) не равны по абсолютной величине, поскольку приобретают однонаправленную добавку. Также, в отличие от случая нормального падения, существуют диапазоны интенсивности падающего излучения, в которых скорости правой и левой-волн переключения имеют один знак.

Вследствие асимметрии, максвелловское значение хо интенсивности падающего излучения для правой и левой волн переключения , при котором ^ ь= о, расщепляется при наклонном падении, , и зависит от угла падения в ...

При наклонном падении для каждого значения угла падения существует такое значение интенсивности падающего излучения, при котором V = V # о. Это означает возможность распространения вдоль пластины импульсов (сигналов) переключения любой конечной протяженности, большей нескольких ширин фронтов волн переключения.

Различие скоростей правой и левой волн переключения в случае наклонного падения излучения на нелинейный слой проявляется в асимметрии пространственного гистерезиса. При увеличении мощности широкого ограниченного пучка от низких значений,1 когда максимум интенсивности пучка достигает значения, соответствующего переключению наверх, рассматриваемая мультистабильная схема переключается в верхнее состояние в окрестности максимума интенсивности пучка. Границы переключенной области, представляя собой волны переключения, будут разбегаться от центра пучка с различными скоростями до координат пучка, соответствующих локальным интенсивностям падающего излучения , при которых скорости волн переключения равны нулю. Поскольку /ь0> * /к01 , переключенная область будет располагаться асимметрично по отношению, к симметричному падающему пучку.

При обратном ходе мощности падающего пучка' в сторону меньших значений, координаты фронтов переключения будут отслеживать положение локальных интенсивностей При

достижении максимумом интенсивности пучка значения /_0> произойдет схлопывание переключенной области вследствие распространения левой волны переключения с V > 0. Т. о., характер переключения пучка вниз отличается от случая

в "высокотемпературное" заключается в возникновении области сильного поглощения в имеющей наибольшую температуру части йлоя и распространении его границы навстречу излучению в виде продольной волны переключения.

Для рассмотрения трехмерной динамики было применено компьютерное моделирование системы , уравнения теплопроводности с аксиальной симметрией и уравнения переноса с учетом фокусировки методом предиктор-корректор с использованием неравномерной сетки по двум пространственным координатам и времени.

Результаты расчетов заключаются в следующем. После включения излучения начинается разогрев засвеченной части образца, в основном вблизи задней грани. Если соотношение между поглощаемой мощностью и теплоотводом таково, что максимальная температура образца превосходит некоторое критическое значение, то вследствие резкой зависимости поглощения от температуры этот разогрев принимает лавинообразный 'характер, и часть образца вблизи задней грани переходит в состояние сильного поглощения (образование домена сильного поглощения). Этот домен нестационарен и совершает продольные колебания, сопровождаемые осцилляциями мощности пучка на выходе.

Процесс автоколебаний домена объясняется следующим образом. По мере своего распространения навстречу сфокусированному излучению домен поглощения попадает в области со все меньшей интенсивностью излучения. Если домен ' достигнет области, в которой поглощаемое им излучение не восполняет потери на теплоотвод, то он, останавливается и остывает. Затенение области образца вблизи задней грани при этом прекращается, начинается её разогрев, и процесс повторяется. Период автопульсаций складавается из длительностей четырёх фаз: нагрев образца вблизи.задней грани; лавинообразное возникновениедомена поглощзния вблизи задней грани; распространение домена навстречу Излучению; остывание домена.

При большем значении интенсивности падающего излучения на входе БОУ, если уменьшение локальной интенсивности излучения по мере распространения домена не достаточно для остановки и остывания домена, домен достигает передней грани

обеспечивает сдвиг записанной информации на п позиций, если изменение модуляции осуществлено на время ¿с= где а -

период пространственного расположения ячеек памяти в матрице, п - величина сдвига, - скорость волн переключения.

При разнице в скоростях ^ м. ^ волн переключения, соответствующих противоположным границам переключенной области, могут быть осуществлены отличающиеся от сдвига преобразования записанной информации. Например, если интенсивности падающего излучения будет выбрана так, что ^ > причем = (п+т) с?/= "С/^, то в процессе распространения ,за время ¿с область, переключенная в состояние, соответствующее верхней ветви гистерезисной зависимости и занимающая одну ячейку, расширится и займет м-1 ячейку.

Свойство асимметричных структур связанных дифракционных автосолитонов распространяться вдоль апертуры даже при нормальном падении излучения на широкоапертурное БОУ позволяет использовать эти структуры для реализации многоразрядного полного сумматора. Эта возможность описана в разделе ,5.2-.:

Многоразрядный полный сумматор в каждом разряде производит сложение разрядов слагаемых и переноса из соседнего младшего разряда, генерирует значение суммы в данном разряде и переноса и передаёт признак переноса в старший разряд.

На первой стадии единицы в разрядах слагаемых записываются в пространственные ячейки памяти полного сумматора (выделенные пространственной модуляцией интенсивности поддерживающего излучения) в виде дифракционных автосолитонов (ДАС). Разряды одного из слагаемых записываются в четные ячейки, разряда другого - в нечетные ячейки, причем в четные ячейки записываются более широкие автосолитоны.

Затем период пространственной модуляции поддерживающего излучения удваивается так, что максимумы вокальной интенсивности приходятся на промежутки между четными и нечетными ячейками, соответствующими одному^ и тому же разряду слагаемых. Это приведет к образованию асимметричных пар связанных ДАС в разрядах,, где присутствовали два ДАС, т.е. в разрядах, в которых оба слагаемых имели единицы.

Последующее изменение поддерживающего излучения на однородное предоставляет возможность асимметричным парам ДАС

термооптической нелинейностью. Найдены зависимости температур, соответствующих однородным стационарным состояниям слоя, интервалов существования этих состояний и скоростей волн переключения между этими состояниями от угла падения. Показана возможность однонаправленного, движения противоположных границ переключённой области широкоапертурного устройства.

4. Проанализирован пространственный гистерезис . при наклонном падении ограниченногсг пучка излучения на слой •среда с термооптической нелинейностью. Найдено, что в этих условиях прошедаий пучок асимметричен, а кинетика переключений и интервалы мультистабильности существенно отличаются от случая нормального падения.

5. Проведено теоретическое исследование процессов переключения в оптических бистабильных устройствах на возрастающем поглощении, пространственно протяженных ,в продольном и поперечных направлениях. Найдено, что кинетика переключения в состояние высокого поглощения заключается в нагреве нелинейной среда в определенной области до состояния высокого поглощения с последующим распространением весьма крутого температурного фронта навстречу излучению, с конечной локализацией области высокого поглощения вблизи передней грани нелинейного образца.

6. Исследована зависимость ширины и положения интервала бистабильности в схемах бистабильности на возрастающем поглощении от толщины слоя нелинейной среды. Найдено сужение (вплоть до исчезновения при некотором критическом значении толщины слоя) интервала бистабильности с увеличением толщины слоя.

7. Теоретически исследована пространственно-временная динамика температурных полей в пространственно протяженных оптических бистабильных устройствах на возрастающем поглощении при засветке их пучком излучения, фокусированным вблизи задней грани нелинейного образца. Найдено, что в этих условиях могут наблюдаться продольные пульсации областей (доменов) сильного поглощения, сопровождающиеся периодическим изменением мощности прошедшего пучка при постоянной мощности падающего и изменением поперечного профиля интенсивности

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. Бобыльков Д.Б., Мурина Т.А., Розанов H.H., Федоров A.B., Ходова Г.В. Анализ гистерезисных явлений в пространственно распределенных бистабшгьных системах. —В кн.: Тезисы докл. V Всесоюзной конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1987, с. 336.

2. Розанов H.H., Федоров A.B. Волны переключения, и пространственный гистерезис при наклонном падении излучения на нелинейный слой. — Известия АН СССР, сер. Физич., 1988, т. 52, №3, С. 529-533. '

3. Розанов H.H., Федоров A.B. О переключении в широко-апертурных оптических бистабильных системах. — Оптика и Спектроскопия, 1988, т. 64, в. 6, с.1372-1374.

4. Rosanov N.N., Fedorov A.V., Khödova 6.V. Effects of spatial distributivity in semiconductor optical bistable systems. —F'hys. Stat. Sol. (b), 1988, v.150, № 2, pp. 545-555.

5. Розанов H.H., Федоров A.B., Ходова Г.В. Пространственные структуры и поперечная передача информации в широкоапертурных оптических бистабильных системах. — В кн.: Сборник трудов 1 Всесоюзной конф. по оптич. обработке информации, Ленинград, 1988, с.109.

6. Розанов H.H., Федоров A.B., Ходова Г.В. Инициирование переключений локализованными неоднородностями широкоапертурных оптических бистабильных систем. — Известия АН БССР, сер. физ.-мат. наук, 1989, № 1, с. 42-44.

7. Розанов H.H., Федоров A.B., Ходова Г.В. Эффекты пространственной распределенности ■в оптической бистабильности и оптические вычисления. — Известия АН СССР, сер. физич., 1989, т. 53, № 6, с. 1083-1087.

8. Розанов H.H., Фёдоров A.B. Дискретно-аналоговый режим широкоапертурных оптических бистабильных систем. — Оптика и Спектроскопия, 1990, т. 68, № 5, с. 969-971.

9. Розанов H.H., Стадник В.А., Федоров A.B., Шашкин В.В. Кинетические режимы пропускания лазерных пучков полупроводниковыми образцами. — В кн.: Тезисы докл. V1 Всесоюз. конф. "Оптика лазеров", Ленинград, 1990, с.12.

10. Розанов H.H., Федоров A.B., Ходова Г.В. Управление про-

Подписано к печати . М-

Формат 60x84/16. Печать офсетная. Усл.печ.л. Уч.-изд.л. . Тираж 100 экз. Заказ . огуос

Тип. ВНП ГОИ. Бесплатно.