ПРАКТИЧНЕЗАСТОСУВАННЯ ФОТОРЕФРАКТИВНОГО ЕФЕКТУ
ЗМІСТ
ВСТУП
1. ФОТОРЕФРАКТИВНИЙЕФЕКТ ТА УМОВИ ЙОГО СПОСТЕРЕЖЕННЯ
1.1 Фоторефрактивнікристали
1.2 Фоторефрактивнийефект
1.3 Умови спостереження фоторефрактивного ефекту
2. ГОЛОГРАФІЧНА ІНТЕРФЕРОМЕТРІЯ
2.1 Двохекспозиційна голографічна інтерферометрія
2.2 Голографічна інтерферометія в реальному часі
2.3 Голографічна інтерферометія за допомогою двох довжинхвиль
2.4 Голографічнаінтерферометія з усередненням учасі
3. АДАПТИВНІ ІНТЕРФЕРОМЕТРИ НА ОСНОВІ ФРК
3.1 Ефект енергообміну фазомодульованих світлових пучків
3.2 Практичні застосування і експериментальні дослідженняадаптивних інтерферометрів на основі ФРК
4. ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ В НЕЛІНІЙНІЙ ОПТИЦІ
4.1 Поняття прообернену хвилю
4.2 Практичневикористання ОХФ
4.2.1 Двохпровіднийпідсилювач
4.2.2 Резонатори з ОХФ дзеркалом
4.2.3 Компенсаціяспотворень зображення в світловоді
4.2.4 Автофокусуваннявипромінювання
ВИСНОВКИ
ЛІТЕРАТУРА
ВСТУП
Явищефоторефракції було виявлене в 1966 р. при вивченні проходження достатньо потужноголазерного променя через електрооптичні кристали LiNbO3, LiTaO3 і деякі інші. Виявилось,що під дією лазерного світла, освітлюючого окрему ділянку зразка, відбуваласялокальна зміна показника заломлення кристала. Це приводило до спотворення хвильовогофронту променя. Таким чином, промінь світла псував до цього високу оптичнуякість кристала — з'являлася неоднорідність показника заломлення в освітленійділянці, що послужило приводом для первинної назви ефекту optical damege(оптичне пошкодження). Проте незабаром звернули увагу і на важливі позитивністорони ефекту. З'явилися пропозиції про його практичне використання, іпочалося його інтенсивне дослідження. Надалі саме явище все частіше почалоназиватися ефектом фоторефракції. Оскільки при фоторефракції зміна показниказаломлення є оборотною, то фоторефрактивні кристали почали розглядатися якреверсивні світлочутливі середовища. Це виявилося цінною знахідкою для вчених-оптиків,які займалися голографією і оптичною обробкою інформації. З іншого боку, вивченняприроди явища фоторефракції виявилося цікавим для фізиків — фахівців в областіфізики твердого тіла, напівпровідників, когерентної оптики.
Фізична суть ефекту полягаєв тому: що падаючий на кристал промінь світла порушує в освітленій областіфотоелектрони, які в результаті дифузії або дрейфу в прикладеному електричномуполі (або за рахунок фотовольтаїчного ефекту) йдуть з освітленої області. Потімці електрони захоплюються в пастки в неосвітлених ділянках кристала. Врезультаті утворюється просторово неоднорідний розподіл заряду, а отже, іелектричного поля усередині зразка. Оскільки в розглядуваних кристалах наявнийелектрооптичний ефект (їх показники заломлення залежать від електричного поля),то в кристалі з'являється неоднорідний розподіл показника заломлення. Такимчином, відбувається запис зображення. З цієї моделі безпосередньо слідує рядключових питань, створюючих загальну-проблему фізики фоторефрактивнихсередовищ.
1. Природа світлочутливихцентрів, які поглинають світло і породжують рухомі носії заряду (у переважнійбільшості випадків електрони).
2. Процеси формування просторовонеоднорідного об'ємногозаряду (дифузія і дрейф носіїв, релаксація об'ємного заряду, вплив поля самогозаряду на процес його формування).
3. Електрооптичніефекти в неоднорідному електричному полі; виникнення просторових варіацій показника заломлення,що відображають характер розподілу заряду в кристалі.
4. Розповсюдження ідифракція світла в кристалах з неоднорідним розподілом показника заломлення
Нарешті самостійнийінтерес представляє питання про практичні застосування фоторефрактивнихсередовищ і конкретних пристроїв обробки інформації і управління лазернимвипромінюванням за допомогою розглядуваних кристалів. У цьому аспектівивчаються функціональні властивості фоторефрактивних середовищ, а такожпередавальні характеристики, чутливість, динамічний діапазон, швидкодія і ін.
Саме питання пропрактичне застосування фоторефрактивного ефекту розглядається в даній курсовійроботі.
1. ФОТОРЕФРАКТИВНИЙ ЕФЕКТ ТА УМОВИ ЙОГО СПОСТЕРЕЖЕННЯ
1.1Фоторефрактивні кристали
Фоторефрактивнікристали характеризуються наявністю досить сильного лінійного електрооптичногоефекту (ефекту Поккельса), тобто зміни показника заломлення δn=-n03r E0/2, де r-електрооптичний коефіцієнт, Е0 — напруженість статичного поля, n0 — показник заломлення. Сюди відносяться сегнетоелектрики Sn2P2S6, LiNbO3, LiTaO3, BaTiO3 іінші, напівпровідники CdS, CdTe, Bi12SiO20, Bi12GeO20 і т.д. Домішки, які є в кристалах, під дією світла можутьіонізуватися, тобто віддавати електрони в зону провідності, і в результатівиникає зміна показника заломлення. Звеликого числа різних механізмів розглянемо так званий дифузійний механізм.
В момент іонізаціїмакроскопічна густина заряду не виникає, оскільки заряд електронів точнокомпенсується позитивним зарядом іонізованих домішок. Але завдяки великійрухливості електрони швидко починають дифундувати від місця збудження, а іонизалишаються на місці. В результаті спільної дії просторово неоднорідногозбудження і дифузії електронів в напрямку областей з меншою інтенсивністювиникає неоднорідний розподіл об'ємного заряду і, як наслідок, неодноріднестатичне поле, яке через ефект Поккельса модулює показник заломлення.
Дещо інший механізмфоторефрактивного (ФР) відгуку реалізується, якщо на кристал накладено доситьсильне статичне електричне поле Е0. Це поле відносить електрони відпозитивних іонів і тим самим створює просторову неоднорідність заряду, поля іпоказника заломлення.
Цікава властивість ФРсередовищ полягає в тому, що в деяких випадках записувані в них динамічніголограми запам'ятовуються на тривалий час при вимиканні дії на них. Записануінформацію можна потім стерти, наприклад, тепловою дією або однорідноюзасвіткою кристалу.
Ще одна специфічна особливість ФР нелінійності полягає в досить сильнійанізотропії коефіцієнта r. Так, увипадку коли хвильовий вектор ФР гратки направлений вздовж оптичної осі в LiNbO3, коефіцієнт r33 приблизно в 5 разів більший, ніжr22 при орієнтаціїцього вектора поперек осі.
1.2 Фоторефрактивний ефект
ФР ефект – цезворотня зміна показника заломлення Dn в об’ємі кристалу, як всередині світлового пучка, так і вприлеглих областях. Величина цієї зміни для деяких матеріалів досягає 10-4– 10-3 (LiNbO3, LiTaO3), час пам’яті ефектуколивається в межах від мілісекунд (ВаТіO3) до місяців (LiNbO3)[3]. Цю зміну показника заломлення можна стерти шляхом нагріву, однорідногоосвітлення чи прикладанням сильного електричного поля.
В основному ФР ефектобумовлений наявністю дефектів, що приводять до виникнення в забороненій зонідодаткових рівнів, які виступають як донори або акцептори зарядів. Принаявності світла носії заряду (електрони, дірки або ті й інші разом)збуджуються у відповідну зону, де вони дрейфують, дифундують, і зновузахоплюються домішками [1,3]. Іншим можливим механiзмом переносу являєтьсяактивоване свiтлом тунелювання, тобто перескакування iз пастки на пастку.
Яким би не бувтранспортний механізм, якщо ж кристал опромiнюється неперервно, то в кiнцi –кiнцiв фотоіндуковані носії заряду перерозподiляються у відповідності зрозподілом інтенсивності світлового поля. Коли свiтло виключається, то зарядичастково залишаються локалізованими (якщо в темнотi кристал є добримдiелектриком), тобто локалiзованi носiї заряду “запам’ятовують” свiтловукартину.
Iснують деякiзагальнi умови, необхiднi для спостереження ФР ефекту: по-перше, для одержанняпомiтної величини в дослiджуваних кристалах повиннi бути досить великiелектрооптичнi коефiцiєнти. Оскiльки ефект має об’ємний характер, необхiдно,щоб довжина хвилi фотозбудження розташовувалась достатньо далеко вiд краю власногопоглинання. Тому при дослiдженнi ФР ефекту, його спостерiгають, якправило, в досить широкозонних матерiалах; в якості джерела освiтленнявикористовують, найчастіше, Не-Nе- (0.6328 мкм) або Ar — (0.448 мкм) лазери. ФРефект не потребує когерентностi збуджуючого свiтла, а основною умовою помiтноїзмiни dn являється достатньо висока енергiя випромiнювання.Значення dn залежить також вiд тривалостi експозицiї [1, 3].
Величина змінипоказника заломлення під впливом електричного поля Е може бути визначена,використовуючи слідуюче співвідношення:
/> /> (1.1)
де rji –електрооптичний коефіцієнт.
Запис голограмиздійснюється внаслідок об’ємної модуляції Dn, яка відповідає модуляції інтерференційної картини.
/>
Рис.1.1 Схематичнезображення виникнення зсуву ФР гратки f відносно смуг інтерференційної картини при дифузійномумеханізмі формування гратки.
На рисунку: I(x), r(x), ESC(x), Dn(x) – просторовірозподіли інтенсивності світлового поля інтерференційної картини,фотоіндукованого заряду, електричного поля та зміни показника заломлення,відповідно; f- фазовий зсувміж смугами інтерференційної картини та граткою показника заломлення Dn.
Таким чином,інтерференційна картина у фоторефрактивному середовищі приводить до появисвітлоіндукованого поля просторового заряду Еsc, яке може досягатидекількох кВ/см2. Домінування дифузії в цьому процесі приводить дофазового зсуву просторового розподілу поля Еsc відносноінтерференційної картини, з максимумами в точках, де градієнт зарядумаксимальний. />
1.3 Умови спостереженняфоторефрактивного ефекту
Необхідними умовамидля фоторефрактивного ефекту в електрооптичних кристалах є:
1. Фоточутливість наданій довжині хвилі.
2. Існування центрівлокалізації заряду.
3. Достатньо висока рухливістьфотозбуджених носіїв.
Так, в LiNbO3, легованому залізом, стани Fe2+ є заповненимиелектронними пастками, а Fe3+ — іонізованими донорами, і поляпросторових зарядів виникають завдяки просторовому перерозподілу двох-валентнихстанів.
Величини світловоїенергії, необхідні для збудження фоторефракції, мають порядок 1÷102Дж/см2, тобто можуть бути забезпечені звичайними лазернимиджерелами. Спостерігається значна відмінність величини фоторефракції в різнихматеріалах. В одному й тому ж матеріалі ефект суттєво залежить від довжинихвилі збуджуючого світла і температури, а також від таких факторів, як якістькристалів, характер і концентрація домішок. Відзначалася залежність величинифоторефракції від попереднього опромінення рентгенівськими або гаммапроменями.
Фоторефрактивнийефект можна використовувати для оптичного запису інформації в твердому тілі. Взалежності від вибору матеріалу таке середовище може бути або реверсивним, абоволодіти властивістю довготривалої пам’яті. З другого боку, в ряді випадківфоторефрактивний ефект може виявитися лімітуючим фактором для багатьохзастосувань. Наприклад, при експлуатації електрооптичних і нелінійних оптичнихпристроїв у ряді випадків необхідно обмежувати величину інтенсивності вхідногосвітлового пучка, оскільки кристали, які використовуються в цих пристроях, привеликих інтенсивностях світла можуть виявляти фоторефрактивний ефект, щоприводить до нестійкості робочих характеристик.
2. ГОЛОГРАФІЧНАІНТЕРФЕРОМЕТРІЯ
Голографічна інтерферометрія (див. монографії [4—7] в даний час є одним з найважливіших методів дистанційного неруйнівного тестування в найрізноманітніших областях промисловості, науки, в медицині і так далі. Вона заснована напорівнянні двох або декількох хвильових фронтів, з яких принаймні один є відновленим зголограми. Відзначимо, що саме застосування голографічних методів запису дозволяє інтерферометруватискладні хвильові фронти, у тому числі і відбиті від реальних (не модельних)дифузно розсіюючих об'єктів.
Максимальна точністьвимірювань, які виконуються методами голографічної інтерферометрії, можедосягати субмікронного рівня. Вона великою мірою визначається використовуванимметодом інтерпретації інтерферограми [5], а також точністю визначення положенняінтерференційних смуг. Так, при стандартній погрішності таких вимірювань в0.5—0.1 ширини смуги і при урахуванні того, що зсув смуги на свою ширинувідбувається призсуві відбивючої тестованоїповерхні на відстань приблизно λ/4, характерна точність методу при λ= 633 нм складає приблизно 0.1÷0.02мкм.
Перші успішні спробивикористання ФРК для цілей голографічної інтерферометрії послідували відразу завиявленням високочутливого запису в Bi12SiO20 (BSO) [8].Даний кристал і по теперішній час залишається одним з найбільш перспективнихдля таких застосувань. Застосування ФРК в системах голографічної інтерферметріїнайдоцільніше в тих випадках. коли проводиться швидкий якісний контроль виробівпри поточному виробництві, безперервному спостереженні за об'єктами абопроцесами, а також при необхідності контролю їх поведінки під дією низкизовнішніх чинників (температури, навантажень, частоти збудження і т. д.) зметою виявлення екстремальних ситуацій. Саме у подібних завданнях такінайважливіші особливості ФРК, як можливість роботи в безперервному режимі або вциклічному режимі з високою швидкістю повторення за відсутності яких-небудьпроцедур обробки і скільки-небудь помітної деградації самого ФРК, можутьвиявитися вирішальними.
2.1Двохекспозиційна голографічна інтерферометрія
Суть даноїметодики полягає в послідовній імпульсній реєстрації на одній і тій же ділянціфоточутливого середовища двох голограм одного і того ж об'єкту (рис. 2.1, а). Врезультаті освітлення подібної складної суперпозиційної голограми початковимопорним пучком відновлюється зображення об'єкту, покрите мережеюінтерференційних смуг. У їх розташуванні, орієнтації, частоті полягає інформаціяпро зміни, що відбулися з об'єктом за час Δt між експозиціями, отримання якої і є основною метою даногоексперименту.
Дешифровкарезультуючої ітерферограми, тобто виявлення реальних змін, що відбулися зоб'єктом, є окремим і часто вельми складним завданням. Дещо спрощуючи, можнаговорити, що у випадку відбиваючого об'єкту, світлі смуги на відновленомузображенні локалізовані на тих його ділянках, які або зовсім не змістилися, абозмістилися на величини, кратні λ/2, вздовж так званих напрямків максимальної чутливості (рис.2.1). Темні ж смуги при. цьому відповідають ділянкам, що змістилися на відстаньλ/4(2L + 1) (L —будь-яке ціле число), де спостерігається когерентне віднімання амплітуд хвильовихполів, відновлених з двох послідовно записаних голограм.
Двохекспозиційні ітерферограмитеплових потоків над працюючою радіоелектронною схемою і прозорих пластмасових;моделей під навантаженням (рис. 2.1, б, в) були отримані в [9,10] при використаннікристала BSO.
/>
/>
Рис. 2.1. Схема установки для двохекспозиційної голографічноїінтерферометрії прозорих об'єктів (а) і типові двохекспозиційніголографічні-ітерферограми прозорих об'єктів, отримані в [9,10] при запису в кристалах BSО (б, в).1- лазер, 2-світоподільник, 3- спостережуваний об'єкт, 4 — зразок взірець ФРК, 5 —проектуюча лінза, 6 — видікон, 7 — монітор.
Найважливішоюособливістю ФРК, яку необхідно враховувати в подібних експериментах, єдинамічний характер записуваних голограм. Прочитування подібноїдвохекспозиційної голограми опорним пучком на тій же довжині хвилі неминучепризведе до її оптичного стирання. Тому для подовження часу спостереженнявідновленого зображення потрібне або ослаблення інтенсивності зчитуючого пучка, абовикористання запису телевізійного зображення.
Стираюча діяпозначається не тільки в процесі зчитування, але і протягом запису другої зголограм. Стиранню в даному випадку піддається перша раніше записана голограма.Тому для досягнення максимального контрасту інтерференційних смуг перша голограмаповинна записуватися до амплітуди, близько в два рази більшої, ніж друга. Прироботі на початковій ділянці запису, де амплітуда голограми у ФРК пропорційначасу запису, це фактично означає приблизно подвоєну величину експозиції при записупершої голограми [9,10].
2.2 Голографічна інтерферометія в реальному часі
При використанніданої методики проводиться імпульсний запис одної єдиної голограмиспостережуваного об'єкту в деякий початковий момент часу tо. Далі проводитьсяспостереження об'єкту, що освітлюється початковим світловим пучком, черезголограму, що освітлюється опорною хвилею (рис. 2.2). В результаті заплощиною голограми відбувається інтерференція реальної об'єктної хвилі, щовідбилася або пройшла через об'єкт в даний момент часу t, і відновленої з голограмихвилі, відповідаючої стану об'єкту у момент часу tо. Аналогічновипадку двохекспозиційної голограми, спостерігач бачить об'єкт, покритиймережею інтерференційних смуг, які відображають різницю між станами об'єкту вмоменти часу tо і t. Очевидно, що за наявності стійкої голограми інезмінних умов її(а також об'єкту) освітлення є можливість спостерігати безперервні зміни стануоб'єкту в часі, з чим зв'язана назва методу.
/>
Рис. 2.2. Схема установки для отримання голографічних інтерферограммпрозорих об'єктів в реальному часі».
1 — спостережуванийоб'єкт, 2 — зразок ФРК, 3 — вихідна площина; пунктирі лінії показують світловий пучок, відновлений з голограми
Використання ФРК якфото чутливого середовища не дозволяє реалізувати дану методику голографічноїінтерферометії в чистому вигляді. Дійсно, безперервне відновлення голограми,записаної у ФРК, рано чи пізно приведе до стирання її початкового стану, що,природно, накладає обмеження на максимально можливу тривалість спостереження заоб'єктом. Більш того, при одночасному розповсюдженні через ФРК об'єктної хвилів його об'ємі за відсутності спеціальних засобів застереження додатковозаписуватимуться голограми всього набору станів за час спостереження об'єктучерез голограму. Проте ця методика простіша і швидша, ніж двохекспозиційна.
2.3 Голографічна інтерферометія за допомогою двох довжин хвиль
На відміну відрозглянутих вище дана методика призначена для контролю рельєфу поверхні іточності позиціонування спостережуваних об'єктів. Інтерферограмма тут також двохекспозиційна, протеголограми записуються не в різні моменти часу, а на різних довжинах хвиль λ1 і λ2, близьких повеличині |λ1 — λ2|
/> (2.1)
/>
Рис. 2.3. Схема установки для голографічної інтерферометії з двома довжинами хвиль, дифузнорозсіюючих об'єктів (а) і приклад інтерферограмми рельєфу монети (б, в).А1(λ1,λ2— освітлюючий світловий пучок 1 — спостережуваний об'єкт, 2 —зразок ФРК. 3 — світлодільник, 4 — вихідна площина.
Основні особливостівикористання ФРК в даній методиці не відрізняються від перерахованих вище длядвохекспозиційної голографічної інтерферометії. На рис. 2.3, б приведенийрезультат відновлення двоххвилевої голографічної інтерферограмми поверхні монети.
2.4 Голографічна інтерферометія з усередненням у часі
Дана методиказастосовується для контролю просторового розподілу амплітуди коливаннявібруючих об'єктів. Голограма в цьому випадку записується протягом достатньотривалого відрізку часу Δt >> f-1 де f — частота вібрації тестованого об'єкту. Привідтворенні подібної «усередненої» за часом голограми відновлюється зображенняпочаткового об'єкту, покрите системою смуг різної яскравості. Найбільш яскравісмуги на відновленому зображенні відповідають лініям нульових коливань(вузловим лініям) на картині розподілу коливань по об'єкту. Очевидно, що дляцих областей голографічний запис протікає оптимальним чином, оскількиінтерференційні структури, записувані на голограмі в протягом часу Δt,виявляються нерухомими.
Використання ФРК в схемі голографічноїінтерферометії з усередненням в часі для цілей голографічної віброметрії виявляєтьсянайбільш природним. В даному випадку можливість безпосереднього відновленняголограми в процесі її запису у ФРК являється найважливішою перевагою. Вонодозволяє безперервним чином візуально (або на екрані монітора) контролюватизміну просторового розподілу амплітуди коливань по об'єкту при зміні частотизбудження f її інтенсивності, а також інших чинників: температури, зовнішньогонавантаження, змін в конструкці і так далі Відзначимо, що характерним часомусереднювання Δt при подібній безперервній методиці є час запису-стиранняголограми у ФРК τsc.
Розглянемо один з методіввідновлення усереднених в часі голограм, що формуються у ФРК неперервним чином.Перший з них полягає у використанні додаткової світлової хвилі R2, що зчитує голограму. Вона розповсюджується строгоназустріч плоскій опорній хвилі R1, що бере участь в записіголограми (рис. 2.4, а) [13, 14], що фактично означає перехід до геометрії4-хвильовоївзаємодії. Відновлена світлова хвиля S2 є комплексно-зв'язаною повідношенню до записуваної сигнальної хвилі S1 і тому формує дійснезображення об'єкту. Для просторового рознесення об'єкту і його відновленогозображення використовується напівпрозоре дзеркало, поміщене між голографіруємимоб'єктом і фоторефрактивным зразком.
/>
Рис. 2.4 Схема безперервного відновлення голографічної інтерферограмми з усередненням в часі з використанням зустрічно направленого зчитуючого пучка R2[13, 14] (а) і голографічна інтерферограмма дифузора, що коливається на різних частотах (б, в).
1 — вібруючий об'єкт,2 — зразок ФРК, 3 — світлодільник, 4 — відікон, 5 — монітор.
У роботі розглянутодва дещо різних варіантів такої схеми: з плоским дзеркалом, що відбиває назадпучок R1після проходження ним кристала, і з незалежно формованим зчитуючим пучком R2. Перша з них простіша по конструкції і, відповідно, легшав юстируванні, проте накладає жорсткіші вимоги на фазову однорідність кристалаі плоскопараллельність його граней. Друга, складніша, допускає отриманняоптимального співвідношення між інтенсивністю записуючих і зчитуючих світловихпучків (ISl + IR1≈ IR2),внаслідок чого інтенсивність відновленої інтерферограмми при її використаннівиявляється приблизно в 2 рази більшою.
Типовий приклад інтерферограмми вібруючого дифузора,отриманої в, приведений на рис. 2.4, б, в.
3. АДАПТИВНІІНТЕРФЕРОМЕТРИ НА ОСНОВІ ФРК
Строго кажучи,термін «адаптивна» в певному значенні може застосовуватися і до звичайноїголографічної інтерферометрії, заснованої на використанні стандартнихнединамічних фоточутливих середовищ, наприклад звичайних фотоматеріалів.Дійсно, вона дозволяє компенсувати складний рельєф об'єкту, що тестується(тобто адаптуватися до нього) і отримувати інформацію виключно про зміни, щовідбулися з ним. У випадкуфоторефрактивних кристалів ми матимемо справу з безперервною адаптацією довідносно повільних змін форми хвильового фронту. Як буде показано нижче, ценеобхідно для оптимальної реєстрації швидких його коливань. Таким чином,очікувані застосування подібної методики лежать в області віброметрії,інтерферометричних.датчиков що швидко змінюються в часі або коливальнихпроцесів і т, д.
Поява цього важливогонапряму голографічної інтерферометії практично повністю пов'язана з розробкою івпровадженням високочутливих ФРК.
3.1 Ефект енергообміну фазомодульованих світлових пучків
Нехай зразок ФРКосвітлюється інтерференційною картиною двох пересікаючихся плоских когерентнихсвітлових пучків однакової інтенсивності, один з яких промодульований по фазі здеякою частотою Ω (рис. 3.1, а). У випадку, якщо частота коливань значно більшазворотного характерного часу формування голограми у ФРК за даних умов йогоосвітлення (Ω >> τsc-1), голограма не встигає «відстежувати» переміщенняінтерференційної картини. Проте вона відображає основний ефект, що полягає вперетворенні початкової фазової модуляції одного із світлових пучків на входіФРК в амплітудну на його виході.
Очевидно, що в іншомуграничному випадку при Ω
/>
Рис. 3.1Адаптивний інтерферометр на основі ФРК (a) і йогопередавальна характеристика (тобто залежність амплітуди вихідного сигналу IRΩ від частотимодуляції F=Ω/2π (б). а: 1 — елемент, в якому здійснюється фазова модуляціяснгнального пучка; 2 — зразок ФРК; 3 — фотодетектор, що перетворює модуляціюінтенсивності світлового пучка в електричний сигнал UΩ.
Докладніший аналізпоказує, що за наявності: чисто релаксаційного характеру процесузапису-стирання фазової голограми передавальна характеристика подібногоадаптивного перетворювача фаза—амплитуда
/> (3.1)
Тобто вона співпадаєз передавальною характеристикою звичайного радіотехнічного RС-кола з постійною часу RC, рівною τsc.
3.2 Практичні застосування і експериментальні дослідженняадаптивних інтерферометрів на основі ФРК
Перш за все слідвказати, що розглянутий ефект «динамічної» самодифракції інтерференційноїкартини, що коливається, є гарним способом досліджень ФРК [16 -19] і іншихдинамічних голографічних середовищ. Він вельми простий в юстируванні, невимагає додаткових зчитуючих пучків і дозволяє визначати як амплітуду гратки ікут фазового розузгодження φ, так і характерний час її запису.
Вперше пропозиція повикористанню динамічних голограм у ФРК для цілей адаптивної інтерферометії у волоконно-оптичнихдатчиках була зроблена в [19]. Автори цієї роботи вказали, що пропонованаметодика дозволяє використовувати в плечах інтерферометра багатомодові оптичніволокна, значно спростити юстування вихідного вузла інтерферометра, а такожзабезпечити придушення повільних змін в інтерференційній картині, пов'язаних іззміною зовнішніх умов. Дійсно, у високочутливих волоконно-оптичних датчиках звеликою довжиною плечей (102—103 м) саме повільний дрейф фазової затримки між плечимаінтерферометра через зміну температури або тиску може досягати значної величини (≥103рад) [20]. Через істотно нелінійний режим роботи фотоприймача при вказаній величинівипадкового фазового зрушення спектр корисного високочастотного сигналурозширюється. Використання динамічної голограми дозволяє компенсувати вказанийповільний дрейф фазової затримки і пропустити практично без ослаблення кориснийсигнал в діапазоні -частот Ω≥τsc-1.
/>/>/>/>
4. ОБЕРНЕННЯХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ В НЕЛІНІЙНІЙ ОПТИЦІ
4.1 Поняття про обернену хвилю
Явище інверсії подійв часі має свою аналогію в когерентній оптиці. Нехай лазерний пучок, проходячичерез середовище з нерегулярними неоднорідностями показника заломлення, зазнаєрозсіювання в різних напрямках. Якщо б нам вдалося повернути час назад, то ми побачилиб як розбіжний світловий пучок підходить до неоднорідного середовища і,проходячи через нього, “виправляється” до ідеально направленого. В оптиці такупроцедуру (інверсія часу) можна здійснити реально.
Існують двісприятливі обставини реалізації цієї інверсії. По-перше, в лінійній оптиціпрозорих середовищ, як геометричній, так і хвильовій, справедливий принципчасової інверсії: рівняння Максвела залишаються інваріантними при заміні знакучасу. Тому для будь-якого розв’язку хвильового рівняння, наприклад для пучка,розсіяного неоднорідним середовищем дійсно існує “обернений” розв’язок того жрівняння.
По-друге, в оптицібув запропонований і реалізований цілий ряд методів створення оберненої хвилі.В когерентній оптиці дійсно вдається задати такі положення і напрямки,амплітуди і фази елементарних променів, щоб надалі в деталях відтворитипоширення оберненої хвилі. Це вдається зробити в тому числі і тому, щокогерентний лазерний пучок володіє відносно малим числом ступенів вільності(осциляторів поля), “узагальнені швидкості” яких треба обернути.
Хвильовим фронтомназивається гіпотетична поверхня (або сімейство поверхонь), яка визначаєтьсяумовою постійності фази коливань j(R)=const. Нормалі до цієї поверхні співпадають зпроменями, які характеризують локальний напрямок хвиль. Пряма і обернена хвилімають в точності співпадаючі поверхні хвильового фронту, jоб(R)=-const, іпоширюються точно назустріч одна одній. У зв’язку з цим операцію отриманняоберненої хвилі називають “оберненням хвильового фронту” (ОХФ).
/>/>
4.2 Практичне використання ОХФ
/>
4.2.1 Двохпровідний підсилювач
Важливою задачеюлазерної техніки є створення потужних малорозбіжних пучків. Для підвищенняпотужності пучка часто використовують оптичний підсилювач. Нажаль, високийенерговихід майже завжди супроводжується значним погіршенням структуривипромінювання через оптичні неоднорідності в робочому середовищі підсилювача. Методи ОХФ дозволяютьздійснити самокомпенсацію спотворень, які вносяться фазовими неоднорідностямипідсилювача. При цьому компенсуються як статичні, так і динамічні (тобто ті якіміняються від імпульсу до імпульсу або навіть на протязі імпульсу) спотворення.Двохпрохідна схема самокомпенсації представлена на рис.4.1 Нехай малопотужний,але малорозбіжний пучок спрямовується на вхід підсилювача з оптичними неоднорідностями.Підсилення пучка при першому проході одночасно збільшує його кутовурозбіжність. Якщо пучок знов повернути в підсилювач, попередньо здійснивши ОХФ,то ця обернена хвиля, по-перше, додатково підсилиться. По-друге, що тежважливо, що неоднорідності, які на прямому проході спотворювали структурупучка, при зворотному проході в точності компенсуються в оберненій і підсиленійхвилі. Якщо є два підсилювачі з однотипними неоднорідностями, то розглянутусхему можна модифікувати так, щоб другий прохід (після ОХФ) випромінюванняздійснювало по другому підсилювачу./>/>
4.2.2 Резонатори з ОХФ дзеркалом
Якщо в розглянутійвище основній схемі підсилення за два проходи виявляється недостатнім, то можнаскористатися схемою з великим числом пар проходів. Нехай частина якісного поструктурі випромінювання, покращеного за кожну пару проходів, повертаєтьсяназад в підсилювач за рахунок відбивання від звичайного дзеркала. Останнє разомз ОХФ дзеркалом утворюють оптичний резонатор.Цей резонатор може працювати як в режимі регенеративногопідсилення вхідного сигналу, так і в режимі генерації від власних спонтаннихшумів. Для отримання малорозбіжного випромінювання в режимі власної генераціїтут, як і в лазері з звичайними дзеркалами, потрібна установка діафрагми, якаусуває генерацію вищих поперечних мод. Але використання ОХФ полегшує отриманнявихідного пучка дифракційної якості, якщо в елементах резонатора присутніоптичні неоднорідності, завдяки ефекту самокомпенсації спотворень.
/>4.2.3 Компенсаціяспотворень зображення в світловоді
Припустимо, що на вхід волоконного світловода подаєтьсязображення, яке переноситься когерентним монохроматичним променем з розподіломелектричного поля в поперечному перерізі E0(r). Це поле збуджуєдеяку кількість мод з різними поперечними індексами. В процесі поширення цезображення спотворюється через відмінності фазових швидкостей різних поперечних мод. Якщовипромінювання після проходження довільної довжини L обернути, то післязворотного проходу по світловоду отримаємо початкове зображення в результатіефекту самокомпенсації. Точніше кажучи, отримаємо відновлене поле E2(r)~E0(r),яке дає те ж зображення, тобто картину інтенсивності I2(r)~|E0(r)|2,що і у початкового поля. Дійсно, світловод без втрат можна розглядати в якостіспотворюючого елементу. Більш того, якщо світловод ідеально однорідний(однаковий) по всій довжині, то зворотній прохід по тому ж світловоду можназамінити на еквівалентний йому прохід по другому світловоду тієї самої довжини L (рис.4.2).
/>
Рис. 4.1 Двохпрохідна схемасамокомпенсації спотворень підсилювача
/>
Рис. 4.2 Схема компенсаціїспотворень, що вносяться оптоволокном
Тим самим передачузображень по багатомодовому волоконному світловоду можна здійснити безспотворень, якщо використовувати дві послідовні ділянки світловода однаковоїдовжини з операцією обернення або фазового спряження в проміжку між ними. Якщоми хочемо відновити не тільки інтенсивність, але і поле, то після другогосвітловода слід встановити ще один фазоспряжуючий пристрій.
/>4.2.4 Автофокусування випромінювання
В задачілазерного термоядерного синтезу (ЛТС) існує проблема фокусування потужнихсвітлових імпульсів на мішень малих розмірів. Вустановках ЛТС треба одночасно вирішувати дві задачі: по-перше, створитипотужний світловий імпульс з малою кутовою розбіжністю і, по-друге, точносфокусувати його на мішень. Використання ОХФ можливе, передусім, для вирішенняпершої задачі. Але властивості оберненої хвилі дозволяють в принципі розв’язатиобидві ці задачі одночасно. Відповідна схема приведена на рис. 4.3.
Імпульс допоміжноголазера невеликої потужності освітлює мішень М. Частина відбитого мішеннювипромінювання попадає в апертуру силового лазера, проходить підсилювач іпопадає на пристрій ОХФ. Обернена хвиля повторно підсилюється, причому назворотному проході автоматично компенсуються спотворення, пов'язані як знеоднорідностями підсилювача, так і з недосконалостями виготовлення і юстуванняфокусуючої системи. В результаті випромінювання точно подається на мішень так,ніби ні в підсилювачі, ні в фокусуючій системі не існує ніяких спотворень.Більш того, при досить широкому пучку допоміжного лазера нема необхідностізнати наперед положення мішені: треба лише, щоб освітлена мішень містилася вмежах кута бачення ОХФ — системи. Розглянута схема носить назву “ОХФ — самонаведення”. Можлива також ситуація, коли система “мішень – підсилювач – ОХФ- дзеркало” без допоміжної підсвітки утворює своєрідний генератор з жорсткимабо м'яким режимом самозбудження.
/>
Рис. 4.3 Схема ОХФ самонаведення(автофокусування)
Схема самонаведенняпрацює і в тому випадку, коли на шляху між лазерною установкою і мішенню єзначні фазові неоднорідності, наприклад атмосферні. В задачах лазерного зв'язкучерез атмосферу досить шкідливий вплив викликають турбулентні неоднорідностіпоказника заломлення, які обмежують допустиму дистанцію зв'язку із-занерегулярного відхилення променів. Схема, яка використовує ОХФ, могла бвиглядати слідуючим чином. В тому місці, куди слід передати світловий сигнал,установлюють сигнальний лазер, направлений в бік передавача. Передавач обертаєі підсилює сигнальну хвилю і вносить в неї інформацію, наприклад, шляхоммодуляції по часу. Використання ОХФ — самонаведення корисно в двох відношеннях:по-перше, для автоматичного контролю правильного напрямку зв'язку, в тому числіпри повільному переміщенні приймача і передавача, і, по-друге, для компенсаціїшкідливої дії неоднорідностей.
Як при самонаведенні,так і при зв'язку швидке відносне переміщення джерела і приймача приводить доряду додаткових ефектів: повздовжнє переміщення з швидкістю v; — до допплерівського зсуву відбитого сигналу Δω/ω=2v;/с, а поперечне переміщення з швидкістю v^--до кутової похибкисамонаведення α^=2v^/с. Методи ОХФ дозволяють компенсувати і навіть використовуватиці ефекти.
ВИСНОВКИ
1. При фоторефракціїзміна показника заломлення є оборотною, фоторефрактивні кристали — реверсивнісвітлочутливі середовища. Що дозволяє використовувати фоторефрактивні кристалив динамічній гологарафії і в пристроях оптичної обробки інформації.
2. Фоторефрактивнийефект має багато різних застосувань деякі з яких розглянуто в данійкурсовій роботі. А саме:
− Голографічна інтерферометрія.Застосування ФРК в системах голографічної інтерферметрії найдоцільніше в тихвипадках. коли проводиться швидкий якісний контроль виробів при поточномувиробництві, безперервному спостереженні за об'єктами або процесами.
− Дляенергообміну між фазомодульваними світловими пучками. Можна переводити фазовумодуляцію в амплітудну.
− Обернення хвильовогофронту і його практичне використаня.
3. Через обмеженістьобєму роботи не розглянуто ряд інших важливих засстосувань. Наприклад:
− Так званийфільтр новин. Цей пристрій виконує функцію динамічної фільтрації зображень,виділяючи нестаціонарну (рухому) частину картини, причому може виділяти також іфазові об’єкти.
− В системахголографічної памяті. В елементах упавління оптичних схем і т.д.
ЛІТЕРАТУРА
1. Фридкин В.М. Фотосегнетоэлектрики.- Москва: Наука, — 1979.-264с.
2. Фейберг Дж. Фоторефрактивная нелинейная оптика // Физика зарубежом. Сборник статей. — 1991. — Т.А. — С.162-179.
3. Glass A.M. Thephotorefractive effect // Opt.Eng. — 1978. — Vol.17. — P.470.
4. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М:Мир, 1973.- 686 с.
5. Вест Ч. Голографическая интерферометрия;. М.; Мир, 1982.504 с.
6. Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическаяинтерферометрия. М.: Наука, 1977. — 336 с.
7. Brandt G.ВHolographic interferometry//Handbook of optical holography/Ed, by H.J. Caulfieid.New York etc.: Academic Press, 1979. P. 463—502.
8. HuignагdJ.P., Miсherоn F.High-sensitivity read-write volume holographic storage in Bi12SiO20and В112GеО20 crystals//Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29, N 9. P.591—593.
9. Huignard J.P., HerriаuJ.P. Real-time double-exposure irrterferometry with Bi12SiO20crystals in transverse electrooptic configuration//Appl. Opt. 1977. Vol. 16, N 7. P. 1807—1809.
10. Herriau J.P., Marrakchi A., Huignard J.P.Conjugaison de phase dans les cristaux BSO. Application an controle destructifen temps reel//Rev. Techn. Thomson—CSF. 1981Vol. 13, N3. P. 501-520.
11. Трофимов Г.С.,Степанов С.И. Фоторефрактивный кристалл Bi12TiO20 дляголографической интерферометрии на длине волны λ=0.63 мкм//Письма в ЖТФ.1985. Т. 11, № 10. С. 615—621.
12. Кuchel Е.М., Tiziani H.J. Real-time contour holography using BSO-crystals//Opt.Commun. 1981. Vol. 38, N1. P. 17—20.
13. Huignard J.P., Herriau J.P., Valentin T. Time averageholographic interferomeiry with photoconductive electrooptic Bi12SiO20crystals/Appl. Opt. 1977. Vol. 16, N 11. P. 2796—2798.
14. Маrrakchi A., Hiugnard J.P., Herriau J.P. Application ofphase conjugation in Bi12SiO20 crystals to mode patternvisualization of diffuse vibrating structures//Opt. Commun. 1980. Vol. 34, N1.P. 15—18.
15. Степaнов С.И.Фоторефрактивные кристаллы для адаптивной интерферометрии// Оптическаяголография с записью в трехмерных средах/Под ред. Ю.Н. Денисюка. Л.: Наука.Ленингр. отд-ние, С.64—74.
16. Князьков А.В., Кожевников H.M., Кузьминов Ю.С. и др.Энергообмен фазомодулированных световых пучков в динамической голографии//ЖТФ.1984. Т. 54, №9. С. 1737—1741.
17. Степанов С.И., Шандаров С.М., Xатьков Н.Д. Фотоупругийвклад в фоторефрактивный эффект в кубических кристаллах//ФТТ. 1987. Т. 29, № Ю-С. 3054—3058.
18. Dos Santos Р.А., Сеsсatо L.,Frejlich J. Interference-term real-time measurement for self-stabilizedtwo-wave mixing in photorefractive crystals//Opt. Lett. 1988. Vol. 13, N 11. P.1014—1016.
19. Hall T.J., Fiddу М.A., Ner M.S. Detector for an optical-fiber acoustic sensorusing dynamic holographic interferometry//Opt. Lett. 1980. Vol. 5,N 11, P.485—487.
20. Jackson D.A., Priest R., Dandridge A., Tveten A,B.Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using apiezoelectrically stretched coiled fiber//Appl. Opt. 1980. Vol. 19, N 17, P.2926— 2929.