close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 2457

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2457
(13)
C1
6
(51) G 01F 3/26
(12)
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ РАБОТЫ НЕЛИНЕЙНОГО
ИНТЕРФЕРОМЕТРА ФАБРИ-ПЕРО
(21) Номер заявки: 950917
(22) 10.11.1995
(46) 30.12.1998
(71) Заявитель: Белорусский
государственный
университет (BY)
(72) Авторы: Толстик А.Л., Рубанов А.С., Карпук
С.М., Агишев И.Н. (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный
университет (BY)
(57)
Способ управления режимами работы интерферометра Фабри-Перо, заключающийся в том, что на расположенную в резонаторе светочувствительную резонансную среду, атомы и молекулы которой находятся в
возбужденном состоянии, воздействуют дополнительным световым пучком, поглощающимся указанными
атомами и молекулами, отличающийся тем, что управление режимами работы осуществляют, используя
изменение нелинейности показателя преломления среды, вызванное поглощением указанного пучка.
(56)
1. Lavandy N.M., Rabinovich W.S. IEEE J. Quantum Electron. 1984, v. QE-20, N5.-Р. 458-461 (прототип).
2. Ивакин Е.В., Карпук С.М., Рубанов А.С. и др. Известия РАН.-Сер. физ.-1992.-Т.56.-N8.-С. 41-46.
Фиг. 1
Изобретение относится к области управления световыми потоками и может быть использовано в квантовой электронике, для оптической обработки информации.
Известен способ управления режимами работы интерферометра, основанный на взаимодействии двух когерентных полей с трехуровневой средой, помещенной в кольцевой резонатор [1]. Частота сигнального поля
настроена в основную полосу поглощения среды, а частота дополнительного светового пучка резонансно
совпадает с частотой перехода с возбужденного уровня на один из расщепленных подуровней. Включение
дополнительного светового пучка влияет на населенность возбужденного уровня и, тем самым, меняет коэффициент поглощения среды, что даёт возможность управлять поглощательной бистабильностью в интерферометре.
Задачей изобретения является расширение диапазона методов оптического управления режимами работы
интерферометра Фабри-Перо (дифференциального усиления, дискриминатора, оптической бистабильности,
ограничителя).
Поставленная задача решается тем, что на интерферометр Фабри-Перо с нелинейной средой, наряду с
сигнальной волной направляют дополнительную волну, частота которой попадает в полосу поглощения из
возбужденного энергетического состояния резонансной среды.
Сравнение свойств заявляемого и известных решений, использующих для управления интерферометром
дополнительный световой пучок, показало, что в заявляемом решении термализация энергии дополнительного светового пучка при поглощении возбужденными атомами или молекулами обуславливает изменение
показателя преломления среды и приводит к оптической бистабильности для сигнального поля при интен-
BY 2457 C1
сивностях значительно меньших, чем без дополнительного пучка. Кроме того, отсутствие резонаторной обратной связи для дополнительного светового пучка позволяет использовать пучки с произвольным направлением распространения и малой степенью когерентности и монохроматичности.
Сущность предлагаемого способа управления интерферометром Фабри-Перо поясняется фиг. 1-3 на примере
резонансной среды, моделируемой трехуровневой схемой энергетических состояний.
На фиг.1 изображена принципиальная схема нелинейного интерферометра Фабри-Перо.
На фиг.2 представлено расположение энергетических уровней нелинейной светочувствительной среды и
соответствующие каналы переходов при облучении ее сигнальным I и дополнительным Id пучками. Сплошными линиями обозначены вынужденные переходы, пунктирными - спонтанные и безызлучательные.
На фиг.3 приведены зависимости интенсивности излучения на выходе интерферометра J от входной интенсивности J0 при различных интенсивностях дополнительного светового пучка
Id = 0 (1) 0,7 (2) 0,8 (3), 3.0 (4).
На фиг.1 сигнальная волна 1 частотой ω падает на интерферометр Фабри-Перо, состоящий из двух плоскопараллельных зеркал 3 и 4 с большим значением коэффициента отражения на частоте ω. Пространство между зеркалами заполнено светочувствительной средой 5, состоящей из поглощающих частиц (молекул, атомов), причем частота ω сигнального светового пучка попадает в полосу поглощения S0-S1 из основного энергетического состояния
(фиг.2). При воздействии на слой 5 светом на частоте ω, он способен просветляться. Одновременно на интерферометр посылают дополнительный световой пучок 2 на частоте ωd, соответствующей переходу с возбужденного
уровня S1. Вследствие того, что этот уровень заселен соответственно интенсивности сигнального пучка, поглощенная в канале S1-S2 энергия дополнительного светового пучка 2 также зависит от интенсивности пучка 1. Таким
образом, увеличение интенсивности сигнального пучка приводит к увеличению поглощенной энергии не только в
основном канале S0-S1, но и в канале S1-S2. Это приводит к изменению комплексной диэлектрической проницаемости среды, в частности, за счет термализации части поглощенной энергии и изменения показателя преломления
среды, оказывая влияние на характер взаимодействия сигнальной волны с нелинейным интерферометром. При
этом появляется возможность усилить нелинейность среды, вызванную слабым сигнальным пучком.
Для сигнального светового пучка связь между интенсивностью поля в среде I с интенсивностью падающего на интерферометр светового потока J0 можно представить в виде:
J 0 (1 − R)(1 + Rτ)
(1 − τ)
I=
(1)
kL ((1 − Rτ ) 2 + 4Rτsin 2 (Ф))
Здесь τ = ехр(-kL) - пропускание слоя толщиной L, R - коэффициент отражения зеркал, Ф=2πnL/λ - mπ фазовая отстройка интерферометра от резонанса, n - показатель преломления среды, λ - длина волны излучения, m - целое число.
Интенсивность светового потока, прошедшего через интерферометр, задается следующим образом:
kL I(1 − R) τ
J =
(2)
1 − τ 1 + Rτ
При расчете нелинейных свойств резонансной среды учтем, что комплексный показатель преломления в
поле двух световых пучков интенсивности I (сигнальная волна) и Id (дополнительный световой пучок) определяется соотношением [2]:
∃
Θ
α∃ I
n∃ = n + i χ = n 0 + χ 0 ( 12 −
) (3)
B 12 1 + α I
где n0 - показатель преломления среды без учета рассматриваемых резонансных переходов, χ0 = ck0 / 2ω линейный коэффициент экстинкции, k0 - начальный коэффициент поглощения. Комплексный параметр нелинейности α∃ , зависящий от спектральных характеристик среды, интенсивности дополнительного светового
пучка и учитывающий термализацию поглощенной энергии в основном S0-S1 и возбужденном S1-S2 каналах,
определяется выражением:
∃ +Θ
∃
∃ / νP − σ (1 − µ ))
Θ
B I (Θ
21
32
d
32
α∃ = α + i α = 12
− σ(1 − µ 21 ) + 23 d 12
(4)
νP21
(1 + B 32 I d / νP32 ) νP21
∃ ij=Θij+iBij определяет спектральные характеристики резонансного перехода i-j, Θij (ω)
Комплексный параметр Θ
связаны дисперсионными соотношениями с коэффициентами Эйнштейна Bij (ω). Коэффициенты Эйнштейна B12 и B21
определяются на частоте ω сигнального светового пучка, а В23 и B32 на смещенной частоте ωd дополнительного пучка
Id, Рij - суммарная вероятность спонтанных и
2
BY 2457 C1
безызлучательных переходов в канале i-j, µij - квантовый выход люминесценции, σ(d)=2ω(d)(dn / dT)δt / cCp, dn / dT термооптический коэффициент. Сp - теплоемкость единицы объема, δt - характерная длительность взаимодействия
(при импульсном возбуждении, когда процессами теплоотвода можно пренебречь, δt - это длительность светового
импульса; в условиях непрерывного лазерного возбуждения δt определяется временем тепловой релаксации), ν = с/n0 скорость света в среде.
Численное решение системы уравнений (1) - (3) получено при использовании суммарной интенсивности сигнальной волны внутри интерферометра I в качестве независимой переменной, что позволяет, зная величину I, по формуле
(3) найти значения показателя преломления n и коэффициента поглощения k = 2ωχ/c, а по формулам (1), (2) определить интенсивности на входе J0 и на выходе интерферометра J. На фиг.3 приведены зависимости J(J0) при различных
значениях интенсивности дополнительного оптического пучка Id. Расчеты проведены для трехуровневой модели в
предположении возбуждения среды в центр полос поглощения S0-S1 и S1-S2 при стоксовом сдвиге зеркальносимметричных полос поглощения и люминесценции на одну полуширину контура. Зависимости получены при следующих параметрах среды и излучения, характерных для этанольного раствора красителя родамин-6Ж: (dn / dT)Cp-1 =
-2*10-4 Дж-1см3, λ23=2λ12=lìêì, n0=1,36, ∆λ23=4∆λ12=100íì(λij è ∆λij -центр и полуширина полосы поглощения в канале i-j),
δt=10-8c, µ12=0,5, µ32=0,0006, k0L=0,02, коэффициент отражения зеркал R=0,99, начальная отстройка интерферометра
от резонанса Ф0=2π⋅n0L/λ-mπ= 0.03. Интенсивности сигнальной волны J, J0 и дополнительного светового пучка Id
нормированы на интенсивности насыщения соответствующих резонансных переходов.
Как видно, при выбранных параметрах интерферометра без дополнительного пучка имеет место практически
линейная характеристика пропускания (кривая 1). Поглощение дополнительного светового пучка в возбужденном
канале приводит к увеличению изменения показателя преломления, вызванного сигнальной волной, и обуславливает реализацию различных режимов работы интерферометра. В режиме дифференциального усиления (кривая 2)
можно усилить малые изменения входной интенсивности. Оптический дискриминатор (кривая 3) пропускает импульсы с интенсивностью выше пороговой (J0>0,03) и подавляет те из них, интенсивность которых ниже порогового уровня (J0<0,03). При дальнейшем увеличении интенсивности дополнительного светового пучка возможна реализация оптической бистабильности и режима с практически постоянной выходной интенсивностью (оптический
ограничитель, кривая 4). Заметим, что в иллюстрируемом на фиг.3 случае оптическая бистабильность получена
при значении параметра C=k0L/2(1-R)=1, что меньше обычно требуемых для интерферометра Фабри-Перо значений С>4. Аналогичные зависимости получены для светочувствительной среды, моделируемой четырехуровневой
схемой (S0-S1-T1-T2) при поглощении дополнительного светового пучка в триплетном канале Т1-Т2.
Таким образом, управление нелинейными свойствами резонансных сред с помощью дополнительного светового пучка на частоте полосы поглощения из возбужденного состояния атомов и молекул позволяет осуществить некогерентное управление пропусканием интерферометра Фабри-Перо и расширить область параметров, для которых возможна реализация различных режимов работы (дифференциального усиления, дискриминатора,
оптической бистабильности, ограничителя).
Фиг. 2
Фиг. 3
Cоставитель В.А. Тугбаев
Редактор В.Н. Позняк
Корректор Т.Н. Никитина
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
175 Кб
Теги
2457, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа