Лабораторная работа № I-2 «Импульсная голография. Сверхбыстрая запись динамических голограмм»

Цель работы: Ознакомление с основами динамической голографии и способами сверхбыстрого переключения сигналов в оптических информационных каналах на её основе.

Объект исследования: Внеосевые динамические голограммы, формируемые излучением различных частот в кристалле калий-титанил-фосфата (KTiOPO₄ (KTP)), обладающем квадратичным нелинейным эффектом.

Задачи, решаемые в работе:

1. Измерение параметров лазерного излучения установки для регистрации голограмм (выходная энергия, длительность импульса).

2. Визуальное наблюдение изменения частот и пространственной структуры излучения на входе и выходе голограммы.

3. Определение числа формируемых голограммой пучков и их частот, а также измерение углов между направлениями их распространения.

4. Расчет ожидаемых углов между пучками на выходе голограммы с использованием теории динамических голограмм в квадратичных нелинейных средах и сравнение результатов расчета с данными эксперимента.

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ           

       В динамической голографии используются среды, которые совсем не требуют какой-либо промежуточной обработки и изменяют свои оптические характеристики непосредственно под действием падающего на них излучения. Строго говоря, любая фоточувствительная среда, галоидосеребряная или несеребряная, в той или иной степени меняет свои параметры под действием записывающих пучков, однако эти изменения обычно так малы, что практически не влияют на амплитуды и фазы волн, распространяющихся в объеме голограммы. Если же это влияние становится заметным, то такую среду называют нелинейной, а голограмму – динамической. При действии световых пучков на нелинейную среду в ее объеме возникает пространственная модуляция коэффициента поглощения или показателя преломления среды, повторяющая картину интерференции пучков – голографическая динамическая решетка, которая изменяет амплитуды и фазы, распространяющихся в голограмме пучков – пучки начинают взаимодействовать друг с другом. Это в свою очередь изменяет картину их интерференции и т. д. В результате стадии формирования и считывания динамических голограмм оказываются неразрывно связанными и происходят одновременно, а сам процесс запись – считывание является одноступенчатым.

 Одним из наиболее важных применений динамической голографии является коррекция волновых фронтов лазерного излучения, особенно с использованием явления обращения волнового фронта. Другое направление практических приложений связано с обработкой и усилением оптических изображений. Третье направление связано с изучением сред и быстропротекающих процессов в них. В настоящее время для записи динамических голограмм используются самые разнообразные диэлектрики и полупроводниковые кристаллы с широкими и узкими запрещенными зонами; неселективно поглощающие жидкости и газы; кристаллы, жидкости и газы, активные к молекулярным, акустическим или ориентационным колебаниям, резонансно поглощающие пары металлов; люминесцирующие растворы красителей; электрооптические, фоторефрактивные и жидкие кристаллы; полимеры и кристаллы с резонансным поглощением, охлаждаемые до низких температур и т. д.

       В последнее время был предложен существенно новый метод трансформации пространственной структуры волновых полей, основанный на записи голограммы в нелинейном материале, обладающем электронной нелинейностью второго порядка (квадратичной нелинейностью), которая определяется величиной соответствующей восприимчивости среды c⁽²⁾ . Поскольку постоянная времени записи в таком материале предельно мала, требование взаимной когерентности записываемых волн в этом случае становится необязательным. В отличие от обычной голограммы изображение в данном случае формируется излучением второй гармоники, что приводит к изменению масштаба восстановленного изображения по глубине. Однако основным отличительным свойством такой голограммы является ее исключительное быстродействие, обусловленное чисто электронным механизмом взаимодействия света с веществом. В результате интерферирующие волны взаимодействуют в каждый момент времени с созданной ими в этот же момент времени голограммой. В следующий момент времени предыдущая голограмма исчезает, и волны взаимодействуют с новой голограммой, которая соответствует параметрам волн на данный момент.

       Естественно возникает мысль, что голограмма, обладающая такими свойствами, может быть записана не только при некотором нарушении взаимной когерентности интерферирующих волн, но также и в том случае, когда длины волн объектной и референтной волн совершенно различны. Безинерционное взаимодействие световых пучков в средах с электронной квадратичной нелинейностью позволило реализовать в известных работах по нелинейной оптике процессы смешения излучения с различными длинами волн, приводящие к генерации излучения с суммарными и разностными частотами, а также использовать эти процессы для визуализации ИК-изображений.

   В данной работе будут теоретически и экспериментально изучены процессы формирования и трансформации изображений, восстановленных динамическими голограммами, записанными по внеосевой схеме в квадратичной безинерционной нелинейной среде в условиях, когда частоты объектной и референтной волн различны, причем разность частот составляет десятые доли от максимального значения частоты. Теория выполнена в скалярном приближении для случая параксиального хода лучей в предположении, что толщина голограммы мала. В дальнейшем для краткости будем называть исследуемые в данной работе безинерционные динамические голограммы с записью в квадратичных нелинейных средах просто динамическими c⁽²⁾-голограммами.

Рис. 1. Схема взаимодействия волн с волновыми векторами k_i при записи многочастотных динамических голограмм в квадратичных нелинейных средах.

Согласно теории записи динамических голограмм пучками различных частот в квадратичных нелинейных средах, представленной в приложении и на рис.1, при неколлинеарном взаимодействии таких пучков на выходе голограммы помимо проходящих исходных пучков возникают новые пучки, отличающиеся от них как по частоте, так и по направлению, которые распространяются вблизи биссектрисы угла схождения исходных пучков.

           Выражение для углов между новыми пучками Db ¢, восстановленными такой голограммой,  имеет вид:

,                                                                      (*)

где a - угол между пучками, падающими на голограмму, n _w и n_{2 w} - показатели преломления кристалла на основной и удвоенной частотах записывающего голограмму излучения, n _R – частота опорного пучка и Dn _OR – разность частот объектного и опорного пучков. Согласно этой формуле величина Db ¢  определяется главным образом углом схождения падающих на голограмму пучков на голограмме a и их частотным сдвигом Dn _OR.

           Эффективность преобразования исходного излучения в формируемые динамическими голограммами новые пучки существенно зависит от условий эксперимента, прежде всего от нелинейной квадратичной восприимчивости кристалла c⁽²⁾ и плотности мощности падающего излучения, и может достигать десятков процентов. В проводимых экспериментах она составит около одного процента.