Способ динамического преобразования световых пучков

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских Соцналистическнх Республик. Кл.03 Н /00 01 сз 3/00 исоеаинением заявки РЙ Государственный комитетСовета Министров СССРпо делам изобретенийи открытий(71) Заявит Институт физики АН УСС ОСОБ ДИНАМИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВПУЧКОВ СВЕТОВ х б высоании Изобретение относится к области квантовой электроники и может быть использовано в устройствах оптической памяти и оптоэлектроники для преобразования быстропеременных когерентных световых пучков.Известны способы динамического .преобразования когерентных световых пучков И . Важнейшими характеристиками динамического преобразования являются перекачка энергии одного из пучков (донорного) в другой (акцейторный), определяемая коэффициентом усиления акцепторного пучка Г, и быстродействие, определяемое временем т, , требуемым для того, чтобы произошло изменение интенсивности преобразуемых пучков, а также изменение фаз и направления распростра,нения преобразуезайх пучков. Необ 1 содимым условием динамического преобразования переменных во времени (с характерным временем изменения й ) световых пучков является малость ,времени записи гологразеаипо сравнению с.а 1Некоторые из преобразующих материалов (Зе, 5 , 3 и О ) обеспечивают кое быстродействие при рреобразов световых пучков (1 ф 10 + 10). Однако записываемая в этих материаларешетка показателя преломления примерно совпадает по фазе с порождающей ее световой решеткой (интерференционная картина), что приводит к относительно малому коэффнциейту усиления. Для увеличения коэффициентаусиления предложен ряд приемов - механическое перемещение регистрирующей среды,применение скрещенныхэлектрического и магнитных полей,приводящих к относительному сдвигууказанных решеток. Однако их использование существенно усложняет реализацию динамического преобразованияпучков.При использовании сегнетоэлектрического кристалла ниобата литиядля преобразования световых пучков,решетка показателя преломления прнзаписи динамической голограмает сдвинута по фазе на четверть периодаотносительно возбуждающей световойрешетки без каких-либо вспомогательных приемов. Динамические голограз 9 ыв этих кристаллах обеспечивают эф"Фективный энергетический обмен пучков: более 80 общей энергии записывающего поля концентрируется на выходе нз кристалла в акцепторном пучке. Отметим,что Фазовый сдвиг решеткя603276на четверть периода является оптимальным для попучения большого коэфФициента усиления акцепторного пучка.Механизм преобразования когерентных световых пучков в кристалле нио бата лития следующий. Падающая на кристалл световая решетка приводит к пространственно периодическому возбуждению электронов с локальных электронных центров в зону проводи мости, В йачальный момент возбуждения распределения отрицательного заряда - электронов и положительного- центров совпадают, кристалл остается электронейтральным в любой точке. 5 Однако вследствие диффуэионно-дрейфового расплывания электронов и их рекомбинации с положительными центрами, распределения зарядов того и иного знака изменяются по разному и перестают совпадать : возникает периодическое распределение заряда и электрического поля в кристалле. Кристалл ниобата лития обладает линейным электрооптическим эффектом появление поля приводит к пропорциональному изменению показателя прелом. ления в соответс;вующем участке кристалла. Так как максимумы поля сдвинуты на четверть периода относительно максимумов порождающей световой решетки, рассмотренный механизм приводит к оптимальному, с точки зрения влияния сдвига на коэффициент усиления, преобразованию пучков.35Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ динамического преобразования световых пучков путем помещения фотопроводящегося кристалла с линейнымэлектрооптическим эффектом в область пересечения световых пучков 21 .Однако в этом способе велика инер ционность преобраЗования, Характерное время при типичных значениях мощносту записывающего излучения 0,01-1 Вт/см составляет минуты и десятки минут.Большая инерционность обусловлена малой подвижностью, а также малым 50 временем жизни фотоносителей тока.Она исключает возможность применения ниобата лития для динамическогопреобразования излучения твердотельных ОКГ в пучковом ( дФ10с) и моно импульсном ( д 1 д 10 с) режимах генерации, наиболее актуальных с точки зрения быстроты обработки информацииЦель изобретения - увеличение скорости преобразования при высоком 60 коэффициенте усиления.Для достижения цели световые пучки сводят на кристалле,у которого время рекомбинации меньше характерного времени изменения интенсивцости преобра эуемых пучков, под углом определяемым из условияЛс. 1 и16 й эЯд/2 2 где 1 Р - время рекомбинации;время изменения интенсивности преобразуемых пучков;Я - длина волны световых пучков;0 - коэффициент биполярной диф"фузии кристалла;9 - угол схождения пучковДля динамического преобразованиямоноймпульсного излучения неодимово,го лазера с "- 10 с световые пучкисводят на кристалле теллурида кадмияс временем .рекомбинации 110-9 с/в интервале углов от 0,3 до 7Для общности рассмотрим полупроводник, у которого свет вызывает переходы электронов в зону проводимости из валентной зоны, так что образуются подвижные носители зарядаобоих знаков. В частности, если подвижностьположительных зарядов равна нулю, задача сводится к описаннойвыше для ниобата лития, когда положительный заряд сосредоточен на неподвижных центрах. Рекомбинацияэлектронов и дырок обычно происходитчерез рекомбинационные центры. Однаков актуальном для эффективного преобразования пучков случае высокойинтенсивности света заряд, сосредоточенный на центрах рекомбинации,мал по сравнению с зарядами свободныхэлектронов и дырок. Периодическоеэлектрическое поле, модулирующеепоказатель преломления и необходимоедля преобразования пучков, возникаетвследствие неодинакового расплывания периодических распределений элект.ронов и дырокНеодинаковость расплывания обеспечивается неодинаковойподвижностью электронов ц р и дырокрР . Поскольку неравенство Ю /О1-П ( Рв полупроводниках, как правило, реализуется, условие/ц Ф/ИР специальноможно не оговаривать.Время, необходимое для возникновения эффекта преобразования пучков,представляет собой время возникнове"ния электрического поля, Оно определяется временембиполярнойдиффузии на расстояние порядка периода световой решетки Ь, то есть подвижностью носителей тока дв= --ф а - Ф -кТ 4 ЯИ О я .и ргде 2 - заряд электрона,КТ - температура в энергетическихединицах. Требование малой инерционности преобразования пучков сводится,таким образом, к требованию высокойподвижности /М . Однако при сильномрасплывании неоднородного распределеСоставитель Е.АртамоноваРедактор Т.Колодцева Техред Н.Андрейчук КорректоРЕ.Дичинская Наказ 6788/59 Тираж 522 ПодписноеЦНИИПИ Государственного ксмитета Совета Министров СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб.,д.4/5 Филиал ППП Патент, г.ужгород, Ул.Проектная,4 нарушение квазинейтральности существенно на сравнительно небольшойчасти периода голографической решетки, Поэтому можно считать, что полученный приближенный реЗультат изменится (улучшится) при переходе кточному решению не"очень сильно.Критерий использованного приближения квазинейтральности сводитсян требованию большой величины стационарной концентрации носителейзаряда П = 3 О, т .е. к ограничению снизу времени рекомбинации 10гас.кт, о,яЖе с 3 йгде о - статическая диэлектрическаяпроницаемость.При выполнении этогоусловия поправка к вычисленному значению Г возрастает.Рассмотрим в качестве примераэлектрооптический полупроводникСДТес высокой подвижностью носителей заряда, обеспечивающей быстродействие,при которой сохраняется высокая эффективность перекачки энергии световыхпучков, то есть удовлетворяющие, вотличие от прототипа, оба приведенныевыше условия. Время установленияравновесия в хорошо проводящем полупроводнике определяется временембиполярной диффузии на длину )Для дырок (более медленные носителив СдЪ с(О = 80 сМ 7 в.с.). при Ь"- 10 сми комнатной температуре 3 порядка10с. В то же время путем введенияспециальных примесей, либо путемоблучения кристаллов СдТе время реком"бинации в них можно довести до 10 сек 35и меньше, Таким образом, в Соответствии с формулой изобретенияСдТ 8 можетприменяться для динамического преобразования пучков, характерное время изменения которых порядка или боль ше 10 8 сек.При параметрах х : 1,2 10 см/в-0,2, 1)/ )3 я - -0,08 величина коэффициента усиления, согласно (2), оказывается равнойа=23 см , (7)Для сравнения укажем, что наибольший достигнутый коэффициент усиленияв).ЦЬО порядка 6 см 1, однако инерционность решетки составляет минуты.Это сопоставление показывает, что 50выполняется поставленная цель изобретения - увеличение быстродействия преобразования при обеспечении высокого усиления.Таким образом, описываемый класс полупроводниковых материалов позволяет достичь высоких, сравнимых с лучшими из известных для других материалов, коэффициентов усиления при уменьшении инерционности преобразования световых пучков на несколько порядков, до величин 10 - 10 с,1. Способ динамического преобразования световых пучков путем поме" щения фотопроводящего крисалла с линейным электрооптическим эффектом в область пересечения световых пучков, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью увеличения скорости преобразования при высоком коэффициенте усиления, световые пучки сводят на кристалле, у которого время рекомбинации меньше характерного времени изменения интенсивности преобразуемых пучков, под углом, определяемым из условия где р - время рекомбийации;1 - время изменения интенсивности преобразуемых пучков;Я - длина волны световых пучков;2 - коэффициент биполярной диффузии кристалла;8 - угол схождения пучков,2, Способ по п.1, о т л и ч а ю" щ и й с я тем, что для преобразова" ния моноимпульсного излучения неоди-; мового лазера с4 10с, световые пучки сводят на кристалле теллурида кадмия с временем рекомбинации 110с, в интервале углов от 0,3 до 70Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:1. Материалы Пятой Всесоюзной школы по голографии, Л., ЛИЯФ, 1973, с. 535.2, Материалы У 1 Всесоюзной школы по голографии., Л., ЛИЯФ, 197,. с. 532-559.