ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 1, с. 131-135
УДК 535.34
ФОРМИРОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ГОЛОГРАММ В ЧИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ
© 2007 г. О. Ормачеа, А. Л. Толстик
Белорусский государственный университет, Минск E-mail: ormachea@bsu.by; tolstik@bsu.by
Исследована запись динамических голограмм при многоволновых взаимодействиях в чистых органических жидкостях (этанол, ацетон, диоксан и др.). Показано, что в условиях интенсивного лазерного возбуждения (~100 МВт • см-2) в ближней ИК-области спектра наряду с кубической нелинейностью включаются нелинейности пятого и более высокого порядка, позволяющие осуществить визуализацию ИК-изображений при использовании различных порядков дифракции.
ВВЕДЕНИЕ
Окрашенные и чистые органические жидкости широко используют в современной лазерной физике в качестве нелинейных сред [1, 2]. Светоиндуци-рованное изменение оптических свойств нелинейной среды в интерференционном поле взаимодействующих волн приводит к записи динамических дифракционных решеток (голограмм). Их формирование может быть связано как с изменением показателя преломления и коэффициента поглощения при переходе молекул в высокие энергетические состояния, так и с тепловой нелинейностью, обусловленной нагревом среды.
В настоящей работе изложен общий подход к анализу процессов многоволнового взаимодействия световых пучков в чистых органических жидкостях в условиях проявления нелинейностей высших порядков, обусловленных нелинейным характером формирования тепловых динамических решеток.
Обычно запись нелинейных динамических голограмм при многоволновых взаимодействиях реализуют в резонансных средах (растворы красителей, кристаллы с центрами окраски и т.д.), в которых за счет эффекта насыщения поглощения индуцируются нелинейности пятого и более высокого порядков [3]. Нелинейная зависимость свето-индуцированного изменения показателя преломления резонансной среды от интенсивности в этих условиях приводит к искажению профиля штриха голографической решетки, которая перестает быть синусоидальной. Для анализа дифракционных характеристик таких динамических структур используют разложение пространственного распределения нелинейного отклика среды в ряд Фурье по пространственным гармоникам решетки [4]. Рассеяние на различных гармониках решетки определяет дифракцию во второй и более высокие порядки. При выполнении условия объемности ди-
намических голограмм угловая селективность решетки позволяет независимо восстанавливать волны, дифрагированные в различные порядки, изменяя частоту [4] либо направление распространения считывающего пучка [5].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МНОГОВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ЧИСТЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЯХ
Экспериментальное исследование дифракции лазерного излучения на тепловых динамических решетках было проведено в схеме невырожденного по частоте многоволнового взаимодействия (рис. 1). В качестве источника излучения использовали лазер на иттрий-алюминиевом гранате, работающий в режиме активной модуляции добротности (длительность импульса т = 15 нс). Спектроде-литель 3 и зеркала 8 и 9 формировали попутно распространяющиеся сигнальную Е3 и опорную Е1 волны на основной частоте генерации лазера (длина волны X = 1064 нм). При интерференции сигнальной и опорной волн в кювете с органической жидкостью 7 осуществлялась запись динамической голограммы. В качестве органической жидкости использовали чистые этанол, ацетон, диоксан, изопропанол, дихлорэтан, имеющие небольшое поглощение в ближней ИК-области спектра (толщина кюветы 3 мм). С помощью зеркала 4 считывающую волну Е2 на удвоенной частоте (X = = 532 нм) направляли навстречу записывающим голограмму волнам. Зеркало 4 могли перемещать, что позволяло изменять угол считывания. Для измерения энергетической эффективности многоволнового взаимодействия использовали регистрирующую систему 5, 11. Светофильтры 6, 10 использовали для ограничения мощности излучения.
131
9*
1 2
сао
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - лазер на алюмоиттриевом гранате, 2 - диафрагма, 3 - спект-роделитель, 4, 8, 9 - зеркала, 6, 10 - светофильтры, 5, 11 - система регистрации, 7 - кювета с органической жидкостью.
Ei(rn)
Е0(2ю)
Es(ffl)
ki
Ei(ffl)
Es(ffl)
Ed(2u>)
Е2(2ю)
Е2(2ю)
Рис. 2. Схемы невырожденного по частоте четырех-(а), и шестиволнового взаимодействия (•) и соответствующие диаграммы волновых векторов.
Условие фазового синхронизма для многоволнового взаимодействия кв = Мк 1 - Мк5 + к2 (^ -волновые вектора взаимодействующих волн, М -порядок дифракции) определяет направление распространения считывающей волны [3]. Типичная геометрия взаимодействия представлена на рис. 2. В первом случае (четырехволновое взаимодействие, рис. 2а), реализуется запись динамических голограмм на кубической нелинейности, при которой поляризация, ответственная за генерацию дифрагированной волны Ев с удвоенной частотой
2ю, имеет вид Р(2ю) ~ %(3)Е1(ю) Е* (ю)Е2(2ю). Соответствующее условие фазового синхронизма кв =
= к1 - к5 + к2 определяет, что считывающая волна Е2 должна быть повернута на угол в ~ а/4 относительно направления распространения опорной волны Е1 (а - угол между записывающими голограмму волнами). При шестиволновом взаимодействии (рис. 26) нелинейная поляризация имеет вид
Р ~ Х(5)(Е1 Е* )2Е2 и условие фазового синхронизма
кв = 2 к 1 - 2к8 + к2 реализуется при встречном направлении распространения опорной и считывающей волн (в = 0, 2 к 1 + к 2 = 0). В этом случае дифрагированная волна также распространяется навстречу сигнальной волне независимо от
геометрии взаимодействия (кв = -2 к5).
Реализация многоволнового взаимодействия в чистых органических жидкостях объясняется включением тепловой нелинейности вследствие поглощения на длине волны X = 1064 нм (коэффициент поглощения к < 0.1 см-1). Величину теплового изменения показателя преломления при этом можно оценить по известной формуле [6]
AnT = (dn/dT )Д T = (dn /dT) klT / Cp
(1)
где dn/dT - термооптический коэффициент, I - интенсивность интерференционного поля, т - длительность импульса, Ср - теплоемкость единицы объема.
Как видно из приведенной формулы, малое значение коэффициента поглощения можно компенсировать увеличением интенсивности записывающих голограмму волн.
Экспериментальные исследования эффективности записи динамических голограмм в различных органических жидкостях при интенсивностях взаимодействующих волн <300 МВт • см-2 показали, что во всех рассмотренных средах (этанол, ацетон, диоксан, изопропанол, дихлорэтан) реализуется четырехволновое взаимодействие, обусловленное записью тепловых динамических решеток. Наиболее высокие значения дифракционной эф-
а
k
k
S
2
k
D
фективности динамической голограммы Е, = 1в/12 (до 15%) были достигнуты при использовании этанола. Измеренные для него зависимости дифракционной эффективности от интенсивности записывающих голограмму волн (I = I* = I) представлены на рис. 3а. Как и ожидалось, в соответствии с нелинейной поляризацией Р ~ Х^Е Е* Е2, увеличение интенсивности приводило к практически квадратичному росту дифракционной эффективности. Подобные результаты были получены и для изо-пропанола, характеризуемого близкими термооптическими свойствами. В то же время для диоксана значения дифракционной эффективности были ниже в несколько раз, а для ацетона и дихлорэтана -на несколько порядков.
Наиболее интересный момент заключается в реализации шестиволнового взаимодействия (рис. 36), которое имеет место при включении нелинейности пятого порядка. Подтверждением реализации шестиволнового взаимодействия кроме геометрии взаимодействия служит четвертая степень зависимости дифракционной эффективности от интенсивности записывающих голограмму волн (нелинейная поляризация Р ~ %(5)(ЕХЕ* )2Е2). Шестивол-
новое взаимодействие наблюдали в этаноле, изопропаноле и диоксане, причем, как и для четы-рехволнового взаимодействия, значения дифракционной эффективности были близки при использовании этанола и изопропанола и были ниже в несколько раз при использовании диоксана.
Заметим, что ранее, при использовании в качестве нелинейной среды растворов красителей (см., например, [3, 4]), шестиволновое взаимодействие было реализовано за счет эффекта насыщения поглощения. Однако коэффициент поглощения органических жидкостей в условиях эксперимента оставался постоянным. Проявление нелинейно-стей высших порядков в этом случае можно объяснить зависимостью от температуры таких параметров, входящих в выражение (1), как теплоемкость единицы объема и термооптический коэффициент, которые во всех предыдущих рассмотрениях считались постоянными. Полученные в эксперименте значения дифракционной эффективности Е, ~ 10-310-4 сопоставимы со значениями, полученными с использованием полиметиновых красителей [7] и на три порядка превышают значения, достигнутые в [8] при шестиволновом взаимодействии в полимерах с использованием резонансного двухфотон-ного механизма поглощения.
% 0.16
0.12 -
0.08 -
0.04 -
100 200 300 400 I, МВт ■ см-2
%, 104 5
100 200 300 400 I, МВт ■ см2
Рис. 3. Зависимость дифракционной эффективности % от интенсивности записывающих голограмму волн для четырех- (а), и шестиволнового взаимодействия (б) при интенсивности считывающей волны I2 = 12 МВт ■ см-2.
позволяющее записать систему укороченных волновых уравнений для взаимодействующих световых полей [3, 4]
ЭЕ1,* = ;^(Е ^(щ) + Е8г 1 х±1 (ю)), (2)
дг
СПо
д E.
дгт = -i СГ (El, D Хо (2 ю) + Ed 2 х+м( 2 ю)). (3) д г сПо
Здесь п0 - начальное значение показателя преломления, Хт - компоненты разложения нелинейной восприимчивости среды в пространственный ряд
Фурье по гармоникам динамической решетки К = = к1 - :
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НЕВЫРОЖДЕННОГО МНОГОВОЛНОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Для теоретического описания процесса многоволнового взаимодействия используем известное приближение медленно меняющихся амплитуд,
II
Хт = 1 \Хп1 ехР [-т( К ■ г))] К ■ г), (4)
-п
где нелинейная восприимчивость Хы = п0^пТ/2п связана с тепловым изменением показателя преломления (1).
Конкретный вид компонент разложения %т определяется термоопти
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.