Практичне застосування фоторефрактивного ефекту

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 розглянуто два дещо різних варіантів такої схеми: з плоским дзеркалом, що відбиває назад пучок R1 після проходження ним кристала, і з незалежно формованим зчитуючим пучком R2. Перша з них простіша по конструкції і, відповідно, легша в юстируванні, проте накладає жорсткіші вимоги на фазову однорідність кристала і плоскопараллельність його граней. Друга, складніша, допускає отримання оптимального співвідношення між інтенсивністю записуючих і зчитуючих світлових пучків (ISl + IR1≈ IR2), внаслідок чого інтенсивність відновленої інтерферограмми при її використанні виявляється приблизно в 2 рази більшою.

Типовий приклад інтерферограмми вібруючого дифузора, отриманої в, приведений на рис. 2.4, б, в.

3. АДАПТИВНІ ІНТЕРФЕРОМЕТРИ НА ОСНОВІ ФРК

Строго кажучи, термін «адаптивна» в певному значенні може застосовуватися і до звичайної голографічної інтерферометрії, заснованої на використанні стандартних нединамічних 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, що відбулися з ним. У випадку фоторефрактивних кристалів ми матимемо справу з безперервною адаптацією до відносно повільних змін форми хвильового фронту. Як буде показано нижче, це необхідно для оптимальної реєстрації швидких його коливань. Таким чином, очікувані застосування подібної методики лежать в області віброметрії, інтерферометричних .датчиков що швидко змінюються в часі або коливальних процесів і т, д.

Поява цього важливого напряму голографічної інтерферометії практично повністю пов'язана з розробкою і впровадженням високочутливих ФРК.

3.1 Ефект енергообміну фазомодульованих світлових пучків

Нехай зразок ФРК освітлюється інтерференційною картиною двох пересікаючихся плоских когерентних світлових пучків однакової інтенсивності, один з яких промодульований по фазі з деякою частотою Ω (рис. 3.1, а). У випадку, якщо частота коливань значно більша зворотного характерного часу формування голограми у ФРК за даних умов його освітлення (Ω >> τsc-1), голограма не встигає «відстежувати» переміщення інтерференційної картини. Проте вона відображає основний ефект, що полягає в перетворенні початкової фазової модуляції одного із світлових пучків на вході ФРК в амплітудну на його виході.

Очевидно, що в іншому граничному випадку при Ω << τsc-1 динамічна фазова голограма встигає відстежувати зсуви інтерференційної картини, тобто адаптуватися до неї. Амплітуда голограми і величина фазового зсуву між гратками і картиною виявляються практично не залежними від часу і співпадають зі своїми стаціонарними значеннями. Якщо проводити аналогію з напівпрозорим дзеркалом, використовуваним зазвичай для спостереження биття між двома лазерними пучками, то в даному випадку ми маємо справу з багатошаровим інтерференційним дзеркалом. Останнє, проте, володіє тією важливою властивістю, що положенння і форма його відзеркалювальних поверхонь, відстежуючи зсув смуг інтерференційної картини, тим самим підтримує величину фазового зсуву між пучками S(d) і R(d)), що інтерферують, на виході схеми постійною. Фактично це і приводить до того, що за наявності достатньо повільної фазової модуляції в одному з вхідних пучків світла інтенсивність вихідних пучків підтримується практично на постійному рівні.

Рис. 3.1 Адаптивний інтерферометр на основі ФРК (a) і його передавальна характеристика (тобто залежність амплітуди вихідного сигналу IRΩ від частоти модуляції F=Ω/2π (б). а: 1 — елемент, в якому здійснюється фазова модуляція снгнального пучка; 2 — зразок ФРК; 3 — фотодетектор, що перетворює модуляцію інтенсивності світлового пучка в електричний сигнал UΩ.

Докладніший аналіз показує, що за наявності: чисто релаксаційного характеру процесу запису-стирання фазової голограми передавальна характеристика подібного адаптивного перетворювача фаза—амплитуда

                                                  (3.1)

Тобто вона співпадає з передавальною характеристикою звичайного радіотехнічного RС-кола з постійною часу RC, рівною τsc.

3.2 Практичні застосування і експериментальні дослідження адаптивних інтерферометрів на основі ФРК

Перш за все слід вказати, що розглянутий ефект «динамічної» самодифракції інтерференційної картини, що коливається, є гарним способом досліджень ФРК [16 -19] і інших динамічних голографічних середовищ. Він вельми простий в юстируванні, не вимагає додаткових зчитуючих пучків і дозволяє визначати як амплітуду гратки і кут фазового розузгодження φ, так і характерний час її запису.

Вперше пропозиція по використанню динамічних голограм у ФРК для цілей адаптивної інтерферометії у волоконно-оптичних датчиках була зроблена в [19]. Автори цієї роботи вказали, що пропонована методика дозволяє використовувати в плечах інтерферометра багатомодові оптичні волокна, значно спростити юстування вихідного вузла інтерферометра, а також забезпечити придушення повільних змін в інтерференційній картині, пов'язаних із зміною зовнішніх умов. Дійсно, у високочутливих волоконно-оптичних датчиках з великою довжиною плечей (102—103 м) саме повільний дрейф фазової затримки між плечима інтерферометра через зміну температури або тиску може досягати значної величини (≥103 рад) [20]. Через істотно нелінійний режим роботи фотоприймача при вказаній величині випадкового фазового зрушення спектр корисного високочастотного сигналу розширюється. Використання динамічної голограми дозволяє компенсувати вказаний повільний дрейф фазової затримки і пропустити практично без ослаблення корисний сигнал в діапазоні -частот Ω≥τsc-1.

4. ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ В НЕЛІНІЙНІЙ ОПТИЦІ

4.1 Поняття про обернену хвилю

Явище інверсії подій в часі має свою аналогію в когерентній оптиці. Нехай лазерний пучок, проходячи через середовище з нерегулярними неоднорідностями показника заломлення, зазнає розсіювання в різних напрямках. Якщо б нам вдалося повернути час назад, то ми побачили б як розбіжний світловий пучок підходить до неоднорідного середовища і, проходячи через нього, “виправляється” до ідеально направленого. В оптиці таку процедуру (інверсія часу) можна здійснити реально.

Існують дві сприятливі обставини реалізації цієї інверсії. По-перше, в лінійній оптиці прозорих середовищ, як геометричній, так і хвильовій, справедливий принцип часової інверсії: рівняння Максвела залишаються інваріантними при заміні знаку часу. Тому для будь-якого розв’язку хвильового рівняння, наприклад для пучка, розсіяного неоднорідним середовищем дійсно існує “обернений” розв’язок того ж рівняння.

По-друге, в оптиці був 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 відтворити поширення оберненої хвилі. Це вдається зробити в тому числі і тому, що когерентний лазерний пучок володіє відносно малим числом ступенів вільності (осциляторів поля), “узагальнені швидкості” яких треба обернути.

Хвильовим фронтом називається гіпотетична поверхня (або сімейство поверхонь), яка визначається умовою постійності фази коливань j(R)=const. Нормалі до цієї поверхні співпадають з променями, які характеризують локальний напрямок хвиль. Пряма і обернена хвилі мають в точності співпадаючі поверхні хвильового фронту, jоб(R)=-const, і поширюються точно назустріч одна одній. У зв’язку з цим операцію отримання оберненої хвилі називають “оберненням хвильового фронту” (ОХФ).

4.2 Практичне використання ОХФ

4.2.1 Двохпровідний підсилювач

Важливою задачею лазерної техніки є створення потужних малорозбіжних пучків. Для підвищення потужності пучка часто використовують оптичний підсилювач. Нажаль, високий енерговихід майже завжди супроводжується значним погіршенням структури випромінювання через оптичні неоднорідності в робочому середовищі підсилювача. Методи ОХФ дозволяють здійснити самокомпенсацію спотворень, які вносяться фазовими неоднорідностями підсилювача. При цьому компенсуються як статичні, так і динамічні (тобто ті які міняються 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 кутову розбіжність. Якщо пучок знов повернути в підсилювач, попередньо здійснивши ОХФ, то ця обернена хвиля, по-перше, додатково підсилиться. По-друге, що теж важливо, що неоднорідності, які на прямому проході спотворювали структуру пучка, при зворотному проході в точності компенсуються в оберненій і підсиленій хвилі. Якщо є два підсилювачі з однотипними неоднорідностями, то розглянуту схему можна модифікувати так, щоб другий прохід (після ОХФ) випромінювання здійснювало по другому підсилювачу.

4.2.2 Резонатори з ОХФ дзеркалом

Якщо в розглянутій вище основній схемі підсилення за два проходи виявляється недостатнім, то можна скористатися схемою з великим числом пар проходів. Нехай частина якісного по структурі випромінювання, покращеного за кожну пару проходів, повертається назад в підсилювач за рахунок відбивання від звичайного дзеркала. Останнє разом з ОХФ дзеркалом утворюють оптичний резонатор. Цей резонатор може працювати як в режимі регенеративного підсилення вхідного сигналу, так і в режимі генерації від власних спонтанних шумів. Для отримання малорозбіжного випромінювання в режимі власної генерації тут, як і в лазері з звичайними дзеркалами, потрібна установка діафрагми, яка усуває генерацію вищих поперечних мод. Але використання ОХФ полегшує отримання вихідного пучка дифракційної якості, якщо в елементах резонатора присутні оптичні неоднорідності, завдяки ефекту самокомпенсації спотворень.

4.2.3 Компенсація спотворень зображення в світловоді

Припустимо, що на вхід волоконного світловода подається зображення, яке переноситься когерентним монохроматичним променем з розподілом електричного поля в поперечному перерізі E0(r). Це поле збуджує деяку кількість мод з різними поперечними індексами. В процесі поширення це зображення спотворюється через відмінності фазових швидкостей різних поперечних мод. Якщо випромінювання після проходження довільної довжини L обернути, то після зворотного проходу по світловоду отримаємо початкове зображення в результаті ефекту 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 якості спотворюючого елементу. Більш того, якщо світловод ідеально однорідний (однаковий) по всій довжині, то зворотній прохід по тому ж світловоду можна замінити на еквівалентний йому прохід по другому світловоду тієї самої довжини L (рис.4.2).

Рис. 4.1 Двохпрохідна схема самокомпенсації спотворень підсилювача

Рис. 4.2 Схема компенсації спотворень, що вносяться оптоволокном

Тим самим передачу зображень по багатомодовому волоконному світловоду можна здійснити без спотворень, якщо використовувати дві послідовні ділянки світловода однакової довжини з операцією обернення або фазового спряження в проміжку між ними. Якщо ми хочемо відновити не тільки інтенсивність, але і поле, то після другого світловода слід встановити ще один фазоспряжуючий пристрій.

4.2.4 Автофокусування випромінювання

В задачі лазерного термоядерного синтезу (ЛТС) існує проблема фокусування потужних світлових імпульсів на мішень малих розмірів. В установках ЛТС треба одночасно вирішувати дві задачі: по-перше, створити потужний світловий імпульс з малою кутовою розбіжністю і, по-друге, точно сфокусувати його на мішень. Використання ОХФ можливе, передусім, для вирішення першої задачі. Але властивості оберненої хвилі дозволяють в принципі розв’язати обидві ці задачі одночасно. Відповідна схема приведена на рис. 4.3.

Імпульс допоміжного лазера невеликої потужності освітлює мішень М. Частина відбитого мішенню випромінювання попадає в апертуру силового лазера, проходить підсилювач і попадає на пристрій ОХФ. Обернена хвиля повторно підсилюється, причому на зворотному проході автоматично компенсуються спотворення, пов'язані як з неоднорідностями підсилювача, так і з недосконалостями виготовлення і юстування фокусуючої 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 необхідності знати наперед положення мішені: треба лише, щоб освітлена мішень містилася в межах 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 жорстким або м'яким режимом самозбудження.

Рис. 4.3 Схема ОХФ самонаведення (автофокусування)

Схема самонаведення працює і в тому випадку, коли на шляху між лазерною установкою і мішенню є значні фазові неоднорідності, наприклад атмосферні. В задачах лазерного зв'язку через атмосферу досить шкідливий вплив викликають турбулентні неоднорідності показника заломлення, які обмежують допустиму дистанцію зв'язку із-за нерегулярного відхилення променів. Схема, яка використовує ОХФ, могла б виглядати слідуючим чином. В тому місці, куди слід передати світловий сигнал, установлюють сигнальний лазер, направлений в бік передавача. Передавач обертає і підсилює сигнальну хвилю і вносить в неї інформацію, наприклад, шляхом модуляції по часу. Використання ОХФ - самонаведення корисно в двох відношеннях: по-перше, для автоматичного контролю правильного напрямку зв'язку, в тому числі при повільному переміщенні приймача і передавача, і, по-друге, для компенсації шкідливої дії неоднорідностей.

Як при самонаведенні, так і при зв'язку швидке відносне переміщення джерела і приймача приводить до ряду додаткових ефектів: повздовжнє переміщення з швидкістю v; - до допплерівського зсуву відбитого сигналу Δω/ω=2v;/с, а поперечне переміщення з швидкістю v^--до кутової похибки самонаведення α^=2v^/с. Методи ОХФ дозволяють компенсувати і навіть використовувати ці ефекти.

ВИСНОВКИ

1. При фоторефракції зміна показника заломлення є оборотною, фоторефрактивні кристали - реверсивні світлочутливі середовища. Що дозволяє використовувати фоторефрактивні кристали в динамічній гологарафії і в пристроях оптичної обробки інформації.

2. Фоторефрактивний ефект має багато різних застосувань деякі з яких розглянуто в даній курсовій роботі. А саме:

− Голографічна інтерферометрія. Застосування ФРК в системах голографічної інтерферметрії найдоцільніше в тих випадках. коли проводиться швидкий якісний контроль виробів при поточному виробництві, безперервному спостереженні за об'єктами або процесами.

− Для енергообміну між фазомодульваними світловими пучками. Можна переводити фазову модуляцію в амплітудну.

− Обернення хвильового фронту і його практичне використаня.

3. Через обмеженість обєму роботи не розглянуто ряд інших важливих засстосувань. Наприклад:

− Так званий фільтр новин. Цей пристрій виконує функцію динамічної фільтрації зображень, виділяючи нестаціонарну (рухому) частину картини, причому може виділяти також і фазові об’єкти.

− В системах голографічної 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 за рубежом. Сборник статей. - 1991. - Т.А. - С.162-179.

3.             Glass A.M. The photorefractive 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. Голографическая интерферометрия. М.: Наука, 1977. - 336 с.

7.            Brandt G.В Holographic interferometry//Handbook of optical holography/Ed, by H.J. Caulfieid. New York etc.: Academic Press, 1979. P. 463—502.

8.            Huignагd J.P., Miсherоn F. High-sensitivity read-write volume holographic storage in Bi12SiO20 and В112GеО20 crystals//Appl. Phys. Lett. 1976. Vol. 29, N 9. P. 591—593.

9.            Huignard J.P., Herriаu J.P. Real-time double-exposure irrterferometry with Bi12SiO20 crystals 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 destructif en temps reel//Rev. Techn. Thomson—CSF. 1981 Vol. 13, N3. P. 501-520.

11.        Трофимов Г.С., Степанов С.И. Фоторефрактивный кристалл Bi12TiO20 для голографической 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 average holographic interferomeiry with photoconductive electrooptic Bi12SiO20 crystals/Appl. Opt. 1977. Vol. 16, N 11. P. 2796—2798.

14.        Маrrakchi A., Hiugnard J.P., Herriau J.P. Application of phase conjugation in Bi12SiO20 crystals to mode pattern visualization of diffuse vibrating structures//Opt. Commun. 1980. Vol. 34, N1. P. 15—18.

15.        Степaнов С.И. Фоторефрактивные кристаллы для адаптивной интерферометрии// Оптическая голография 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. Фотоупругий вклад 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-stabilized two-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 sensor using 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 a piezoelectrically stretched coiled fiber//Appl. Opt. 1980. Vol. 19, N 17, P. 2926— 2929.

Страницы: 1, 2