Звернення хвилевого фронту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Звернення хвилевого фронту

Вступ

Хвилевим фронтом називається гіпотетична поверхня (або сімейство поверхонь), визначувана умовою постійності фази коливань. Нормалі до цієї поверхні співпадають з променями, що характеризують локальний хвиль. Пряма і обернена хвилі мають в точності співпадаючі поверхні хвилевого фронту, і розповсюджуються точно назустріч один одному, тобто мають різний знак фази.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 1

В зв'язку з цим операцію отримання оберненої хвилі називають «хвилевого фронту». Зміні знаку фази в термінах комплексних амплітуд відповідає перехід до комплексно-зв'язаної величини. З цієї причини в англомовній науковій літературі операцію отримання оберненої хвилі називають фазовим.

Плоску хвилю не представляє великої праці. Якщо ми наперед знаємо її напрям розповсюдження, то для досить встановити плоске дзеркало, орієнтоване перпендикулярно до цього напряму. О вже сферичну хвилю плоским дзеркалом не вдається. Сферичній хвилі, що розходиться, при повинна відповідати що сходиться до того ж джерелу сферична хвиля. При ві в плоскому дзеркалі сферична хвиля продовжує розходитися. Добитися в цьому випадку можна, було б, поставивши дзеркало з центром кривизни в джерелі. Взагалі, для поводження хвилі з довільною структурою було б потрібне дзеркало з профілем, в точності співпадаючим з профілем хвилевого фронту, тобто для кожної хвилі було б потрібне своє особливе дзеркало (мал. 2).

Мал. 2

Чудово, що методи нелінійної оптики і голографії дозволяють реалізувати «чарівне дзеркало», що автоматично підстроюється під форму будь-якої падаючої хвилі так, щоб відобразити сигнал у формі оберненої хвилі.

Привабливість концепції ОВФ полягає в тому, що процес компенсації спотворень проводиться фактично одним елементом, наприклад осередком з рідиною або кристалічною пластинкою, причому процес йде без застосування вимірників хвилевого фронту і пристроїв управління виконавчим механізмом.

1. Фізика процесів розсіяння

Картина розсіяння звичайно виглядає таким чином. У прозоре середовище лазерний імпульс частоти з потужністю близько десятка мегават на квадратний сантиметр і тривалістю близько десятків наносекунд. При перевищенні деякої порогової інтенсивності (коли в хід вступають процеси нелінійної оптики) з середовища, крім початкового випромінювання, виходить майже такий же могутній імпульс випромінювання іншої частоти, так звана стоксова хвиля (мал. 3). Різниця частот виявляється рівній частоті того або іншого власного коливання середовища ; по типу цих власних коливань якраз і класифікують різні види розсіяння. Звуковим коливанням відповідає розсіяння Мандельштама - Бріллюена (ВРМБ), внутрішньомолекулярним коливанням - комбинаційне розсіяння (ВКР) і т.д.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 3

ВР звичайно спостерігається в напрямах, попутному або стрічному по відношенню до падаючого лазерного пучка (вперед або назад), що пояснюється геометрією області взаємодії. Нас в основному цікавитиме розсіяння назад, оскільки саме воно дозволяє здійснити хвилевого фронту.

1.1 З розсіяння Мендельштама-Бріллюена (ВРМБ)

Якщо пучок світла в середовищі зустрічає пружну (звукову) хвилю те на гратах щільності середовища (а отже, і показника заломлення), що біжать, світло дифрагує. Напрям дифракційного максимуму в загальному випадку розташовується під певним кутом до напряму падаючого пучка світла. Цей кут розсіяння - залежить від співвідношення між довжинами світлової і звукової хвиль, показника заломлення середовища. Оскільки світло дифрагує на гратах, що біжать, в розсіяному світлі відповідно до ефекту Допплера спостерігається частоти, рівне частоті звукової хвилі. Таким чином, при розповсюдженні звукової хвилі в тому ж напрямі, що і падаючий світловий пучок, розсіяне «назад» світло має частоту, дещо менше частоти падаючого випромінювання (стоксова хвиля). При стрічному напрямі звуку розсіяне світло, навпаки, має частоту, дещо велику частоти падаючого випромінювання (антистоксового хвиля).

Неоднорідна по просторовій структурі хвиля накачування створює для стрічної хвилі по частоті в стоксову область (на частоту гіперзвуку) неоднорідний профіль посилення. Спочатку стоксова хвиля зароджується в спонтанного розсіяння хвилі накачування і потім в неоднорідному профілі посилення з локальним показником посилення, п інтенсивності падаючої хвилі. З максимальним темпом наростає та частина стоксовой хвилі, просторові сплески інтенсивності якої доводяться на області з найбільшим посиленням (області з найбільшими значеннями інтенсивності хвилі накачування). В результаті стрічна хвиля формується в хвилю з оберненим хвилевим фронтом, що має таку просторову структуру поля, яка відтворює (з комплексним) поле хвилі накачування». Різниця частот між стоксовою хвилею і хвилею накачування відповідає звуковим хвилям дуже високої (гіперзвуковий) частоти (1ГГц). Гіперзвук в середовищі швидко затухає - на відстані приблизно 10 мкм, тому світлові хвилі взаємодіють локально. Таке розсіююче строго назад ВРМБ-дзеркало має високу просторову роздільну здатність, яку можна порівняти тільки з гіпотетичним адаптивним дзеркалом, що має нескінченно велике число мір свободи (мал. 4).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 4

на відміну від фазового, здійснюваного адаптивним дзеркалом, процес ОВФ автоматично враховує неоднорідності амплітудного розподілу і відповідну дифракційну розбіжність випромінювання. Постійна часу процесу ОВФ (при ВРМБ - не більше  с, де  с - значення, зворотне частоті гіперзвуку) дозволяє здійснювати практично безінерційне дуже коротких світлових імпульсів.

1.2 Інші види розсіяння

Процес комбінаційного розсіяння світла йде логічно процесу ВРМБ з утворенням грат діелектричної проникності. Фізично зміна діелектричної проникності пов'язана із зміною полярізуемості молекул в коливань її атомів. Частота розсіяного світла, таким чином, комбінується з частоти падаючого світла і частоти внутрішньомолекулярних коливань. В результаті розсіяне світло містить два супутники (аналоги стоксової і антистоксової компонент). Проте, на відміну від процесу ВРМБ, комбінаційне розсіяння приводить до помітнішого зрушення частоти розсіяного світла.

Розсіяння крила лінії Релея. Розсіяння світла відбувається на флуктуації орієнтації молекул. За рахунок обертання молекул відбувається модуляція анізотропної частини полярізуемості. При процесі відбувається деяке впорядкування орієнтації молекул в світловому полі, що до зміни діелектричної проникності.

Температурне розсіяння, обумовлене поглинанням. Діелектрична проникність середовища залежить від температури. При розповсюдженні хвилі в середовищі відбувається процес поглинання. У середовищі наводиться т.з. температурні грати, які в свою чергу сприяють утворенню грат діелектричної проникності, що біжать.

1.3 Загальні властивості розсіяння

Чудовою властивістю механізмів розсіяння є те, що якість хвилевого фронту тим краще, чим більше нерегулярність спотвореного хвилевого фронту яка викликає дрібнозернисту неоднорідність розподілу інтенсивності (спекл-структуру) хвилі накачування.

Амплітуда, що розкотили, прямо пропорційна часу накопичення

З розсіяння обов'язково йде із частоти.

Механізм ВРМБ в даний час є найбільш популярним для реалізації ОВФ. Він має порівняно низький енергетичний поріг і здійснюється в достатньо прозорих середовищах. Остання обставина є важливою, оскільки наявність теплового розпливання пучка в середовищі обмежує можливість ОВФ. У додатку до адаптивних оптичних систем цей механізм також переважний, оскільки супроводжується малим частоти випромінювання.

2. Звернення хвилевого фронту в статистичній голографії

Найбільш простій для пояснення є схема отримання оберненої хвилі в статичній голографії. Хай на фотопластину падає хвиля сигналу і когерентна з нею опорна хвиля (мал. 5). Картина інтерференції цих полів записується у фотошарі, після чого голограму обробляють, так що інтерференційні неоднорідності виявляються у вигляді модуляції оптичних властивостей фотошару (його коефіцієнта поглинання і показника заломлення).

фаза коливання розсіяння голографія

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 5 Мал. 6

Якщо відновити голограму не звичайним способом, в якому прочитуюча хвиля співпадає з опорною хвилею при записі, а так, щоб прочитуюча хвиля розповсюджувалася точно назустріч опорній хвилі при записі (мал. 6). Звичайне це не представляє великої складності, якщо опорна хвиля плоска або сферична. Тоді після проходження хвилі через голограму відновлюється поле що розповсюджується назустріч сигналу що відповідає точно зверненій до сигналу хвилі.

Розглянута схема володіє тим недоліком, що для кожної нової хвилі потрібно записувати нову голограму, що скрутно. Цей недолік можна усунути, використовуючи спеціальні середовища, що не вимагають додаткової обробки, тобто такі, в яких оптичних властивостей (діелектричної проникності) виникають безпосередньо у присутності полів, що інтерферують, і зникають при їх знятті. Голографію в таких середовищах називають динамічною; процеси взаємодії хвиль в таких середовищах складають предмет нелінійної оптики, а самі середовища називають нелінійними.

3. Метод динамічної голографії

Для запису голограми, тепер уже об'ємної, використовують нелінійне середовище, в яке одночасно направляють три хвилі: опорну хвилю, сигнал, і другу опорну хвилю, що в першої від відповідного дзеркала так, щоб мало місце опорних хвиль (мал. 7).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 7

Процес запису і прочитування голограми за допомогою чотирьох хвиль (ЧВС) можна провести в реальному масштабі часу, використовуючи спеціальні нелінійні середовища, в яких у присутності полів, що інтерферують, виникають відповідні зміни діелектричної проникності.

Опорна хвиля, інтерферує з сигналом, записує відбивні голографічні грати (у вигляді модуляції (діелектричної проникності, коефіцієнта); її прочитування опорною хвилею також з обернену хвилю .

У такому середовищі процеси запису голографічних грат і її прочитування суміщені за часом. Фізично запис голографічних грат можна пояснити т.з. керровською нелінійністю, пов'язаною з впорядкуванням орієнтації осей молекул в інтенсивному полі. Інші фізичні механізми нелінійності пов'язані з електронною поляризованою напівпровідникових кристалів. Ці процеси практично безінерційні з постійною часу до .

Відповідними середовищами для ЧВС є гази, а також пари і напівпровідники для мкм (ІК-діапазон), діелектричних кристалах - рубін, олександрит, що містить іони хрому.

Деякі кристали (силікат, германат вісмуту) володіють властивістю запам'ятовувати динамічні голограми. Тому вони можуть бути використані в режимі «запісь-сличиваніе-стирання». Стирання можна здійснити, наприклад, однорідним засвіченням кристала.

Механізм, лежачий в основі ЧВС, може бути використаний і процес ВРМБ. Для отримання великих коефіцієнтів ОВФ-дзеркал використовуються так звані гіперзвукові дзеркала. Падаюче випромінювання, взаємодіючи із стрічною хвилею накачування, утворює гіперзвукову хвилю, На гіперзвуку розсівається друга хвиля накачування і утворюється обернена хвиля. За допомогою цього процесу коефіцієнти ОВФ-дзеркала багато більше одиниці (до 10⁶

Властивості ЧВС

1. Механізм ЧВС володіє селектуючею властивістю, ту частину падаючого випромінювання, яка має задану частоту і, усуваючи паразитні, частотно-кутові спектральні складові.

2. Можливість отримання оберненої хвилі з необхідною поляризацією, яка може не співпадати з поляризацією падаючої хвилі. Для цього потрібен певний вибір геометрії схеми і поляризації опорних хвиль.

3 Звернення ЧВС можна здійснювати безпосередньо в активному середовищі, використовуючи випромінювання усередині резонатора як стрічні опорні хвилі. При цьому падаюча і відбита хвилі додатково посилюються активним середовищем.

4. Параметричні методи ОВФ

Звернення при трьоххвилевому змішенні здійснюється при взаємодії спотвореної хвилі частоти з опорною хвилею подвоєної частоти (мал. 8). Існують середовища, в яких діелектрична проникність лінійно залежить від напруженості оптичного поля, - так звані квадратично-нелінійні середовища. Під впливом сильного оптичного поля опорної хвилі в кристалі виникають грати діелектричної проникності. Спотворена хвиля, попутна опорною, хвилю з комбінованою частотою . В результаті в напрямі вперед розповсюджується хвиля з частотою, рівній частоті спотвореного випромінювання, але зв'язана йому по фазі. Отримання зв'язаної хвилі, що рухається в попутному напрямі, може стати в нагоді для компенсації спотворень у волоконних лініях зв'язку.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 8

Фізично поява квадратичної нелінійності обумовлена нелінійністю зв'язаних електронів і тому процес ОВФ при трьоххвилевому безінерційний. Це дозволяє здійснювати ОВФ субнаносекундних і пікосекундних імпульсів випромінювання у про механізмів взаємодії стрічних хвиль, де короткий імпульс не дозволяє ефективно задіювати всю довжину світлопроводів.

Одним із способів отримання ОВФ є відзеркалювальною поверхнею. Якщо припустити, що поверхня володіє нелінійними властивостями, а саме коефіцієнт залежить від інтенсивності світла, то в результаті інтерференції двох на поверхню хвиль можна одержати просторову модуляцію коефіцієнта. Для отримання ОВФ перпендикулярно поверхні направляють опорну хвилю і під кутом - спотворену хвилю. Відбите поле містить три складові: дзеркально відбиту опорну хвилю, дзеркально відбиту спотворену хвилю і відбиту від утворюваних інтерференції грат обернену хвилю. Запис і прочитування динамічної голограми: здійснюються в тонкому поверхневому шарі. Товщина шару не перевищує довжини хвилі випромінювання.

Надзвичайно високою чутливістю при хвилевого фронту поверхнею володіють керовані оптичні транспаранти на рідких кристалах (щільність потужності падаючого випромінювання коло  Вт/см2). Такі транспаранти складаються з фоточутливого шару напівпровідника і рідкого кристала, до якого прикладено напругу. За допомогою керованого оптичного транспаранта з дзеркалом створюється динамічні голограми, що обертают хвилевий фронт. В даний час рідкокристалічні транспаранти мають характерні значення постійної часу ( с), більші, ніж інші ОВФ-дзеркала.

Керовані транспаранти, як правило, мають тритактовий режим роботи - створення рельєфу (запис), власне перетворення оптичного сигналу (прочитування) і руйнування рельєфу (стирання). Запис і стирання можна проводити або пучком електронів, або випромінюванням оптичного джерела.

Принцип дії пристрою заснований на зміні показника заломлення кристала за допомогою створення на його поверхні зарядового рельєфу скануючим електронним пучком. Стирання рельєфу проводиться другою електронною гарматою (мал. 9).

Що висока вирішує здатність елементів і їх технічні особливості дозволяють укласти, що дві концепції компенсації фазових сходяться на керованих оптичних транспарантах.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 9. 1,2 - записуюча і стираюча електронні гармати; 3 - прозорі вікна; 4 - прозорий електрод; 5 - кристал; 6 - модульоване випромінювання; 7 - вакуумнова камера

5. Порівняння різних методів.

Кожний з розглянутих вище методів ОВФ володіє своїми достоїнствами і недоліками. Великою ОВФ - ВР є той факт, що в ньому реалізується хвилевого фронту. Тим самим довільні спотворення, що виникають при проходженні хвилі в оптично неоднорідних елементах і середовищах, практично не впливають на процес ОВФ, і якість, що досягається, високо. До недоліків ОВФ - ВР слід віднести пороговий характер процесу ВР, чого потрібна достатньо висока потужність хвилі, що.

У голографічних методах (статична голографія, ОВФ - ЧВС, ОВФ-П) вимога досить високої потужності переноситься на опорні хвилі, а хвиля, що, може бути набагато слабкіше. Великою гідністю цих методів можливість звернення сигналу з коефіцієнтом більше одиниці, тобто з посиленням. До того ж ці методи надають ширші можливості селекції сигналу, управління оберненою хвилею і вибору ступеня швидкодії. Головний недолік цих методів полягає в жорстких вимогах до оптичної якості нелінійного середовища і до просторової структури опорних хвиль.

Параметричні методи ОВФ, будучи привабливими з принципової точки зору, в оптиці набули порівняно малого поширення із-за труднощів створення синхронної модуляції на подвоєній частоті у великому об'ємі.

6. Застосування методів ОВФ

Самокомпенсація спотворень. Найважливішим завданням лазерної техніки є створення могутніх пучків. Для підвищення потужності пучка часто використовують оптичний підсилювач. На жаль, високе енергознімання майже завжди супроводжується значним погіршенням спрямованості випромінювання із-за оптичних неоднорідностей в робочому середовищі підсилювача. Методи ОВФ дозволяють здійснити самокомпенсацію спотворень, що вносяться фазовими неоднорідностями підсилювача. При цьому компенсуються як статичні, так і динамічні (тобто змінні від імпульсу до імпульсу або навіть впродовж імпульсу) спотворення.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 10

Резонатори з ОВФ-дзеркалом. Якщо в розглянутій вище основній схемі посилення за два проходи опиняється недостатнім, то досить природно скористатися схемою з великим числом пар проходів. Саме, частина випромінювання, виправленого за кожну пару проходів, повертається назад в підсилювач за рахунок від звичайного зеркала. Останнє разом з ОВФ-дзеркалом утворюють оптичний резонатор. Цей резонатор може працювати як в режимі регенеративного посилення вхідного сигналу, так і в режимі генерації від власних спонтанних шумів.

Компенсація спотворень зображення в світловоді. Припустимо, що на вхід волоконного світловода подається зображення, переносиме когерентним монохроматичним полем, деяку кількість мод з різними поперечними індексами. В процесі розповсюдження це зображення досить швидко спотворюється із-за відмінності фазових швидкостей різних поперечних мод. Якщо випромінювання після проходження довільної довжини обернути, то після зворотного проходу по світловоду одержимо початкове зображення в результаті ефекту самокомпенсації.

Компенсація тимчасового розпливання імпульсів. Розповсюдження короткого імпульсу (широкосмугового) по середовищу з дисперсією супроводжується його розпливанням в часі із-за непостійності групової швидкості в межах спектру імпульсу. Це явища особливо при розповсюдженні на велику довжину в одномодовому волоконному світловоді. Ідея компенсації дисперсійного розпливання полягає в тому, щоб на другому проході затримати прихід швидших компонент і, навпаки, прискорити прихід повільних компонент так, щоб сумарний час в дорозі був зразковий однаковим. Цього можна добитися, якщо інвертувати положення спектральних компонент щодо центральної частоти імпульсу. Таку інверсію здійснює, наприклад, операція фазового в параметричних і чотирьоххвилевих методах ОВФ.

Автофокусування випромінювання. Імпульс допоміжного лазера помірної потужності освітлює мішень. Частина відбитого мішенню випромінювання потрапляє в апертуру силового лазера, підсилювач і потрапляє на пристрій ОВФ. Обернена хвиля повторно посилюється, знімаючи запасену енергію, причому на зворотному проході автоматично компенсуються спотворення, зв'язані як з неоднорідностями підсилювача, так і з недосконалістю виготовлення і юстирування фокусуючої системи. В результаті випромінювання доставляється точно на мішень так, як ніби ні в підсилювачі, ні в тій, що фокусує, системі не існує погрішностей. Більш того, при достатньо широкому пучку допоміжного лазера немає необхідності знати наперед положення мішені: потрібний лише, щоб освітлена мішень знаходилася в межах кута бачення ОВФ-системи (мал. 11).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мал. 11

Розглянута схема носить назву «ОВФ-самонаведенія». Можлива також ситуація, коли система «мішень - підсилювач - ОВФ-дзеркало» без допоміжного підсвічування утворює своєрідний, генератор з жорстким або м'яким режимом самозбудження. Схема самонаведення працює і в тому випадку, якщо на шляху між лазерною установкою і мішенню є значні фазові неоднорідності, наприклад атмосферні. Зокрема, в завданнях лазерного зв'язку через атмосферу шкідливий вплив роблять турбулентні неоднорідності показника заломлення, обмежуючі допустиму дистанцію зв'язки із-за нерегулярного відхилення променів. Схема, що використовує ОВФ, могла б виглядати таким чином. У тому місці, куди слід передати світловий сигнал, встановлюють «запрошуючий» лазер, направлений у бік передавача. Передавач і підсилює «запрошуючу» хвилю і вносить в неї інформацію, наприклад, шляхом модуляції за часом. Застосування ОВФ-самонаведенія корисно в двох відносинах: по-перше, для автоматичного відстежування правильного напряму зв'язку, зокрема при повільному переміщенні приймача і передавача, і, по-друге, для компенсації шкідливої дії неоднорідностей.

Размещено на Allbest.ru