Управление отражательной способностью ОВФ-голограмм с помощью оптической подкачки тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

белорусский ордена трудового красного знамени

государственный университет

РГ6 00

- 1 МАЙ 1993 пРавах рукописи

аддаси джихад саид мохаммед

управление отражательной способностью овф-голограмм с помощью'оптическои подкачки

01.04.21 - лазерная физика

Автореферат диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Минск - 19Эа

Работа выполнена на кафедре лазерное физики и спектроскопии Белорусского государственного университета

Научные руководители: кандидат физико-математических наук,

доцент Чалей A.B.

кандидат физико-математических наук, доцент Толстик А. Л.

Официальные оппоненты: Член-корреспондент АН РБ,

. - доктор физико-математических наук,

профессор Рубанов A.C. кандидат физико-математических наук, доцент Урбанович А. И.

Ведущая организация: Гомельский государственный

университет

Заилта состоится 26 февраля 1993 года в 10.00 на заседании специализированного Совета К' 056.03.01 по присуждение ученой степени кандидата наук при Белорусском государственном университете (220080, г.Минск, пр. Фр.Скорины, 4, главный корпус, к.206).

С диссертацией можно.. ознакомиться в библиотеке Белгосуниверситёта.

Автореферат разослан "" февраля 1993 года.

А.В.Чалей

Ученый секретарь Совета доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие исследований взаимодействия интерференционного поля когерентного излучения со средами, обладающими кубической нелинейностью, позволило обнаружить интересные нелинейные эффекты, открывшие новые перспективы в решении ряда научных и прикладных задач. Одним из результатов этих изысканий явилось формирование научного направления, получившего название динамической голографии, которое позволило разработать новые методы коррекции пространственной структуры световых пучков, формирования и обработки изображений и временных сигналов. Наибольшее распространение получили методы, основанные на явлении фазового сопряжения Собращения волнового фронта - ОВФЭ. Обе волны Ссигнальная и обращенная) имеет одно и то же пространственное распределение амплитуды и фазы, но распространяются во встречных направлениях. Указанное свойство обращенного пучка позволило использовать явление ОВФ для компенсации фазовых искажений, возникавших в результате распространения световой волны в фазово неоднородной среде, в частности для создания мощных лазерных систем, не чувствительных к оптическому качеству составляющих их элементов. ОВФ в схеме четырехволнового взаимодействия используется для управления пространственно-временной структурой, частотой и поляризацией световой волны, осуществления логических и математических операций, инверсии контраста изображения. Постоянный интерес к подобным исследованиям связан с возможностью привнесения в технику обработки информации преимуществ оптических методов, в том числе, параллельность обработки сигналов, прямое хранение оптической информации и осуществление интегральных преобразований.

Использование резонансных сред в схеме четырехволнового взаимодействия позволило осуществить ОВФ непрерывного лазерного излучения, излучения микро-, нано- и пикосекундной длительности. В зависимости от длительности светового импульса и релаксационных свойств используемого механизма нелинейности мощности излучения варьируются от милливатт до десятков гига-ватт. Практически нет ограничений на длину волны взаимодействующих световых лучков во всем оптическом диапазоне и может

быть реализовано высокое быстродействие, обусловленное малыш временами жизни возбужденных состояний молекул С для красителей ^>"10"®- 10"''с).- Для решения ряда практических задач динамической голографии, оптической обработки информации, коррекции пространственно-временной структуры световых полей в'реальном времени представляет интерес разработка методов управления отражательной способностью ОВФ-голограмм. С этой целью иссле-.довалось влияние на процесс формирования обращенной волны электрических и магнитных полей, а также химических "реакций, инициируемых или управляемых лазерным излучением. В данной работе рассматривается запись ОВФ-голограмм в возбужденных резонансных средах. Перевод молекул в возбужденное состояние осуществляется с помощью независимой оптической подкачки в основную полосу поголощенкя , меняя интенсивность которой представляется возможным управление отражательной способностью ОВФ-голограмм. Реализация четырехволнового ОВФ и оптической подкачки в различных спектральных каналах лозволяет использовать для управления обращенной волной световые поля, от которых не требуется высокая степень когерентности и монохроматичности.

Целью настоящей работы является развитие теории динамических ОВФ-голограмм, записанных, при четырехволновом взаимодействии на переходах между возбужденными синглетными Б Бг Стриплетными Т , ТаЭ уровнями .резонансной среды при наличии оптической подкачки в основном канале $о~ , установление основных особенностей светоиндуцированного изменения показателя преломления при двухчастотном возбуждении резонансной среды и реализация управления отражательной способностью ОВФ-голограмм с помощью независимого светового пучка.

Научная новизна полученных результатов заключается в сле-дующёмГ"

- Впервые исследована зависимость светоиндуцированого изменения показателя преломления от интенсивности и частоты световых полей как в основном синглетном Б - , так "и в возбужденном синглетном Э - Бг, или триплетном - Тг каналах. В "условиях двухчастотного возбуждения проанализирован вклад резонансной и тепловой нелинейности, индуцируемой переходами между возбуж-

денными электронными состояниями, в величину фазового отклика ' раствора красителя и выявлены условия немонотонной зависимости показателя преломления возбужденного красителя от интенсивности оптической подкачки.

Используя результаты исследования светоиндуцированного отклика красителя при двухчастотном возбуждении, получены и численно решены уравнения, описывающие запись ОВФ-голограмм в возбужденных резонансных средах. Определены условия применения приближения заданного поля подкачки и волн накачки.

- Показана возможность и реализовано в растворе красителя родамин 6Ж управление отражательной способностью ОВФ-голограмм с 0 помощью независимой оптической подкачки.

Практическая значимость работы определяется возможностью использования ее результатов в таких разделах науки и техники, -как динамическая голография и оптическая обработка информации. Применение управляемых ОВФ-злементов расширяет возможности . решения разнообразных задач обработки пространственно-временной структуры световых полей в реальном времени, компенсации фазовых искажений лазерных пучков.

Самостоятельный интерес для изучения свойств плоских и объемных динамических голограмм, особенностей генерации лазеров с распределенной обратной связью, разработки дифракционных методов нелинейной спектроскопии представляет проведенное в работе исследование светоиндуцированного изменения показателя преломления. растворов

красителей в условиях двухчастотного возбуждения. Результаты теоретического анализа ОВФ-голограмм с независимой подкачкой могут быть использованы при создании управляемых "логических элементов с высоким быстродействием.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического исследования светоиндуцированного изменения показателя преломления сложных органических соединений, моделируемых трех- и четырехуровневыми схемами в условиях двухчастотного возбуждения.

2. Теоретическое обоснование ■ возможности управления отражательной способностью динамических ОВФ-голограмм, регистрируемых в возбужденных трех- и четырехуровневых средах, с помощью

независимой оптической подкачки в основном синглетном канале.

3. Результаты численного анализа отражательной способности ОВФ-голограмм при ЧВВ в условиях нелинейного поглощения световых полей в объеме среды, условия применимости приближения заданного поля подкачки и волн накачки.

4. Результаты теоретического и экспериментального исследования отражательной способности ОВФ-голограмм, записанных на переходах между возбужденными уровнями красителя родамин 6Ж.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались в обсуждались на X Международном семинаре '"Лазеры и оптическая нелинейность" (Вильнюс, 1992 год), семинарах кафедры лазерной физики и спектроскопии Белгосуниверситета. По материалам диссертации были опубликованы две статьи.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы, включающего 114 наименований. Работа изложена на 103 страницах (в том числе 29 рисунков).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приводится краткий обзор проблемы, определяется структура диссертации в целом, обосновывается актуальность избранной теш, указывается новизна и практическое значение полученных результатов и формулируются основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе рассматривается светоиндуцированное изменение показателя преломления Сфазовый отклик) растворов красителей, вызванное переходами между возбужденными уровнями молекул. Используются наиболее типичные трех- СБ - Б - и четырехуровневые СБо- £> - Т - Тг) схемы красителя. Перевод частиц на возбужденный энергетический уровень Б СТ ) реализуется с помощью оптической подкачки с интенсивностью I на частоте ш ,

о о

а поглощение молекул с возбужденного скнглетного или трип-летного Т уровня осуществляется под действием излучения с ин-

В

тенсивностыо I на частоте ы.

В предположении стационарного режима возбуждения красителя с использованием соотношений Крамерса-Кронига выводятся уравнения, списывающие зависимость фазового отклика раствора красителя от частоты и интенсивности излучения. В приближении гауссовой аппроксимации контуров поглощения и испускания анализируется роль перекодов в основном 1 - 2 СБо~ ) и возбужденном 2 - 3 (Б - Б ) или 3 - 4 СТ - Т ) каналах, вклады теплово-1 £ 12

го и резонансного механизмов нелинейности в фазовый отклик резонансной среды. В частности, показана монотонная зависимость фазового отклика от интенсивности излучения в возбужденном канале. Причем половину своего максимального значения фазовый отклик принимает при интенсивности насыщения поглощения в возбужденном канале которая зависит от интенсивности подкачки I в основном канале. При небольших интенсивностях

0 нг1~

подкачки 1о<< интенсивность насыщения возбужденного канала определяется вынужденными переходами только с верхнего энергетическогого уровня 5гСМ ^Рз2(4з)/Взг(4з),

где В - коэффициент Эйнштейна для вынужденного перехода :-.], Р - суммарная вероятность спонтанных и безнзлучательных переходов, V - скорость света в среде). Такая ситуация связана с тем, что при малых интенсивностях подкачки уровень СТ ) слабо заселен по сравнении с основным энергетическим состоянием Э , к с ростом интенсивности излучения в канале -С Т - Тг) происходит постоянный приток частиц с уровня ¿о на уровень СТ ), населенность которого остается неизменной. С ростом интенсивности подкачки переход Б - начинает просветляться, приток частиц в систему уровней'Б - 5г СТх - Та3 сокращается, и насыщение возбужденного канала будет определяться вынужденными переходами между обоими возбужденными состояниями. При больших интенсивностях подкачки, когда канал полностью просветляется, интенсивность насыщения монотонно приближается к своему предельному значению, которое при условии эффективного заселения уровня СТ Э ^1г>> Вг1 , Ргз>> Рз1) аналогично выражению для двухуровневой модели среды ■[НАС _ р /СВ + з

2-3(3-4) 32(43) 23 (34) 32(43)

Рассмотрение зависимости фазового отклика красителя от

интенсивности' излучения в основном канале позволило

установить условия немонотонной зависимости резонансного изменения показателя преломления от интенсивности оптической подкачки 1о. В частности, показано, что частота излучения в возбужденном 'канале при этом должна лежать между контурами поглощения и испускания «зг(43)< ш < "гз<34)- В указанном спектральном диапазоне проанализированы выражения для оптимального значения интенсивности подкачки, при которой фазовый отклик максимален. Показано, что для частоты излучения и, отстроенной в область полосы поглощения возбужденного канала, оптимальное значение интенсивности подкачки может намного превысить интенсивность насыщения В то же время при отстройке в область полосы испускания оптимальная интенсивность подкачки меньше интенсивности насыщения. Кроме того, определены спектральные условия и значения интенсивности подкачки, при которых резонансный фазовый отклик обращается в нуль.

Учитывая большую вероятность безызлучательной деградации энергии излучения при переходах в возбужденном канале, в отдельном параграфе рассмотрено изменение показателя преломления раствора красителя, обусловленное нагревом среды. Проведено сравнение вкладов в фазовый отклик тепловыделения в основном и возбужденном каналах. Показано, что увеличение интенсивности излучения I, а следовательно, и тепловыделения в возбужденном канале, уменьшает населенность уровня Б> СТ^) и приводит к меньшему тепловыделению в основном канале. Вследствие этого обе составляющие теплового фазового отклика имеют противоположные знаки. Определены оптимальные значения отстройки частот излучения в обоих спектральных каналах, при которых тепловой фазовый отклик максимален. В частности, для гауссовой аппроксимации контуров испускания выражения для оптимальной отстройки частоты в основном )) = (ыо- и1а)/Д^ и возбужденном

11г|(3<)= Си - «аз(34)Э'Ааз<34) каналах представлены в виде

опт '12 12 = 6 дп,«^ , р 4 2 12 21 О 31

Ст)опт+ <5 Эг

опт '12 12 =5 в».ах1 , (р +р )

'12 12 21 О 21 23

Ст) + 6 )г

опт 2з<з4> 23(34) _ х птах гу р

43 <34 ) 23(14) 32(43) 32(43)'

где <5^ = и^З/Д^; ь>1 ., Д. ^ - центр и полуширина

контуров поглощения Сиспускания) в каналеАнализ приведенных соотношений показал, что при малых интенсивностях излучения оптимальная частота совпадает с центром контура поглощения 17 = г)гз(зч)=0 и смещается в коротковолновую область спектра с ростом интенсивности, изменяясь в диапазоне 0 < 17 < 0,7

"РИ I. < 100 Щ- 1 < 100 1н1с(3'°-

Во второй главе диссертации на основе результатов исследования фазового отклика красителей в условиях двухчастотного возбуждения проводится анализ отражательной способности динамических ОВФ-голограмм, записанных в возбужденных резонансных средах. Предполагается запись ОВФ-голограмм на переходах в возбужденном синглетном - либо триплетном Т^ - Тг каналах. Перевод молекул в возбужденное состояние осуществляется независимой оптической подкачкой в основном синглетном канале Б - Б .

О 1 с

В $ 2.1 рассматривается общая теоретическая модель четы-рехволнового взаимодействия в растворах красителей при некогерентной оптической подкачке. С учетом резонансной нелинейности возбужденного и тепловой нелинейности обоих спектральных каналор (следствие слабой спектральной селективности теплового фазового отклика) определена нелинейная восприимчивость среды,, отвечающая за формирование обращенной волны. Используя линейное приближение по сигнальному и обращенному полям и условие брегговского отражения от объемных ОВФ-гологра'ым, получена система укороченных волновых уравнений для волн накачки

Г

Е4 2, оптической подкачки Ео, сигнального и обращенного полей

<ЭЕ . Не

о о

{ Е -

О О , .----

дх 2 1,2 1

23(341 - * , (3)

■Ж- ---1- lV Es.s + Р E*sJ

где к0, к°з(з4) ~ начальные коэффициенты поглощения в основном и возбужденном каналах соответственно, f описывает поглощение подкачки в интерференционном поле волн накачки, f учитывает как модуляцию коэффициента поглощения и показателя преломления вследствие просветления среды в интерференционном поле накачки, так и перерассеяние опорных волн на ими же записанной амп-литудко-фазовой решетке, у/ определяет нелинейный амплитудный коэффициент поглощения, <р - параметрическую связь сигнальной и обращенной волн. Приведенная система уравнений, позволяющая описать процесс четырехволнового ОВФ с учетом нелинейного поглощения всех взаимодействующих волн в резонансной среде, может быть решена лишь численными методами (.§§ 2.3, 2.4). Аналитическое решение получено в приближении заданных полей накачки и оптической подкачки CI (z), I Cz) = const), когда входящие

1,2. О

в уравнение СЗ) параметры к°з(з4), у и р постоянны в объеме среды С§2.2).

Анализ полученных решений позволил теоретически обосновать возможность некогерентного управления отражательной способностью ОВФ-голограмм в резонансных средах с опта'ческой подкачкой. Показано, что в условиях моноимпульсного возбуждения определяющую роль в формировании обращенной волны играет тепловая нелинейность, обусловленная безызлучателькыми переходами в возбужденном канале. При этом отражательная способность ОВФ-голограмм монотонно возрастает с ростом интенсивности подкачки.

В . § 2.3 проанализировано влияние поглощения волн накачки на энергетическую эффективность процесса четырехволнового ОВФ. В частности, рассчитаны зависимости оптимальной интенсивности волн накачки I . при -которой отражательная способность ОВФ-голограмм максимальна, от оптической плотности раствора красителя и интенсивности подкачки. Найдено аналитическое выражение, удовлетворительно описывающее эти зависимости

I /l5:i,a-4> = к° , ,L/C1 " ехР с_к° , "в неявном

опт НАС . 23(34) г 23(34) \

виде через интенсивность насыщения ^ас'3"*' и наЧальный коэф-

фициент поглощения в возбужденном канале учитываете

влияние оптической подкачки.

На Основе сравнения аналитического и численного решек;:/ системы уравнений, опись;ваюш.ей четырехволновое взаимод^йотьи--в среде с оптической подкачкой, определены условия применимое ти используемого в § 2.2 приближения заданного пеля н ш&ш к I < 0.2СуР СБ + В )1 )/В I для трехуровневой ,

О 21 12 210 23 О ■ г . г

к I <0,2СуСР + Р ) + СВ С1 + Р /Р ) + В )1 )р /Р Ь 1

О 21 23 12 2331 2 1 0 3 1 2 ! 3 4

для четырехуровневой моделей красителя. При большей оптической плотности требуются интенсивности накачки, превышающие интенсивность насыщения 1НАС, . В то же время для большой ол-

2-3(3-4) г

тической плотности, но малой интенсивности волн накачки предложено использовать аналитическое приближение, полученное для условий линейного поглощения волн в объеме среды (I < 0,ПН/С, Использование такого приближения позволи-

П 2-3(3-4) *

ло найти оптимальную плотность раствора красителя для трех-к I = 2{(уР + (В + В )1 З/В I >1пЗ и четырехуровневой

О 21 12 21 О 230 г ^ г

к I = 2<СуСР +Р Н (В (1 +Р /Р ) + В )1 ЗР /Р В I >1пЗ

О 21 23 12 23 31 21 О 31 23 34 О

моделей среды.

Влияние поглощения оптической подкачки на отражательную способность ОВФ-голограмм рассмотрено в § 2. 4. Показана удовлетворительная точность приближения заданной интенсивности подкачки, при небольшой оптической плотности среды коЬ << 1 либо при интенсивности подкачки, достаточной для просветления всего объема нелинейного слоя. Использование десятипроцентного критерия оценки допустимости расхождения в решениях позволило записать условие применимости приближения заданной подкачки в виде к I, < 0,1 С1 + I /I'"!,). При этом следует иметь в виду,

О С НА V

что интенсивность насыщения зависит от интенсивности волн накачки. С ростом интенсивности накачки число молекул в канале , а следовательно, и интенсивность насыщения уменьшается. В результате этого имеющаяся интенсивность подкачки более эффективно просветляет объем нелинейной среды, и область применения приближения заданной подкачки расширяется.

3 последнем параграфе глави приведены результаты экспериментального исследования отражательной способности ОВФ-голограмм, записанных на переходах в возбужденном канале красителя

родамин 6Ж, растворенного в этаноле. Перевод молекул в возбужденное состояние осуществлялся второй гармоникой лазера на алюмоиттриевом гранате, работающего в режиме активной модуляции добротности.■ Волны, участвующие в процессе четырех-волнового ОВФ имели частоту, отстроенную в полосу поглощения возбужденного канала Б -' Бг (основное излучение лазера). В отсутствии оптической подкачки запись ОВФ-голограмм обусловлена поглощением взаимодействующих волн этанолом. При этом энергетическая эффективность процесса мала й < 0,5%. Включение оптической подкачки приводит к заселению возбужденного синглетного уровня молекул красителя Б4. За счет поглощения основной частоты генерации лазера в возбужденном канале - Бг эффективность тепловых динамических голограмм, записываемых в растворе красителя, существенно (более чем на порядок) возрастала. Насыщение роста отражательной способности ОВФ-голограмм К имело место при интенсивности оптической подкачки, превышающей интенсивность насыщения резонансного перехода Бо~ С1НАССьг 0,5 МВт/см2). Как и следовало ожидать, для ОВФ при четырехволновом взаимодействии наблюдалась квадратичная зависимость коэффициента отражения от интенсивности волн накачки и монотонная зависимость коэффициента отражения от оптической плотности раствора красителя (ко1, < СкоЬ)опщ)■ Для теоретического описания отражательной способности ОВФ-голограмм в этанольном растворе красителя родамин 6Ж предложена модель., учитывающая просветление резонансного перехода Б - , линейное поглощение в возбужденном канале Б( - Бг, а также поглощение излучения-растворителем.

В заключении диссертации сформулированы полученные в работе основные результаты и выводы.

Основные результаты проведенных исследований могут быть оформлены в виде следующих положений:

1. В рамках кинетических уравнений для населенностей энергетических уровней в условиях двухчастотного возбуждения проанализированы зависимости нелинейного < изменения показателя преломления, индуцируемого Переходами между возбужденными электронными состояниями, от интенсивности и частоты излучения

в основном Б - Б и возбужденном Б - Б СТ - Т ) каналах. Ус-0 1. ■ 12 12

тановлена зависимость интенсивности насыщения поглощения в возбужденном канале от интенсивности подкачки в основном канале S - St. Определены условия немонотонной зависимости резонансного изменения показателя преломления от интенсивности оптической 'подкачки..

2. Теоретически обоснована возможность использования независимой оптической подкачки в основном сингл'етном канале S - S

о 1

для управления отражательной способностью динамических ОВФ-голограмм, записанных в результате четырехволнового взаимодействия в возбужденных резонансных средах.

3. На основе численного анализа четырехволнового ОВФ в возбужденных средах с учетом нелинейного поглощения распространяющихся в среде волн, определены условия применимости аналитических приближений заданного поля подкачки и волн накачки, приближения линейного поглощения взаимодействующих волн.

4. Экспериментально'исследованы зависимости отражательной способности ОВФ-голограмм, записанных на переходах между возбужденными синглетными уровнями красителя родамин 6Ж, от интенсивности оптической подкачки, волн накачки, оптической плотности среды. Показана удовлетворительная точность теоретических расчетов, учитывающих просветление резонансного перехода S - St и линейное поглощение с возбужденного уровня.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих . работах:

1. Аддаси Джихад (Иордания), Толстик А. Я. , Чалей A.B. Фазовый отклик растворов красителей, индуцируемый переходами между возбужденными электронными состояниями //Вестн. Белорусского ун-та. Сер. 1, физ., мат. и мех. -1992. -N2. -С. 11-15.

2. Аддаси Джихад СИордания), Толстик А.Л., Чалей A.B. Запись ОВФ-голограмм на переходах в возбужденном канале красителя родамин 6Ж //Вестн. Белорусского ун-та. Сер.1, физ., мат. и мех. -1993. -т. -С. 9-12.