Пространственное самовоздействие когерентных световых пучков в фоторефрактивном интерферометре Фабри-Перо

УДК 535:621.372.8

А.С. Перин, С.М. Козлова, В.М. Шандаров

Пространственное самовоздействие когерентных световых пучков в фоторефрактивном интерферометре Фабри-Перо

Экспериментально продемонстрирован эффект существенного изменения распределений интенсивности лазерных пучков вследствие пространственного самовоздействия света в интерферометре Фабри-Перо на основе образцов ниобата лития с поверхностью, легированной фоторефрактивными примесями - железом и медью.

Ключевые слова: нелинейный интерферометр, фоторефрактивный эффект, гауссов пучок, ниобат лития.

При исследовании нелинейно-оптических эффектов [1] и создании оптических приборов разного рода, например лазерных манипуляторов микро- и наночастиц [2], требуются лазерные пучки с амплитудными профилями, более сложными, чем стандартная основная Гауссова мода. Для синтеза подобных пучков используются как пассивные оптические элементы [3, 4], так и электрически управляемые пространственные модуляторы света [5]. Пространственные модуляторы света могут быть и оптически управляемыми [6], причем для фоторефрактивных материалов достаточны микроваттные уровни мощности управляющих пучков. Целью данной работы явилось исследование эффекта преобразования амплитудных профилей когерентных световых пучков в интерферометре Фабри-Перо (ИФП) на основе кристалла ниобата лития (^1№Ъ0з) с поверхностью, легированной ионами железа ^е) и меди (Си). Введение Fe и Си в ^1№Ъ0з делает его фоточувствительным, а использование комбинаций данных ионов с разным соотношением концентраций позволяет изменять в широких пределах фоторефрактивные характеристики материала, в том числе характерное время нелинейного отклика [7, 8]. Инерционность фоторефрактивного нелинейного отклика позволяет проследить за временной эволюцией структуры светового поля в подобном интерферометре, обусловленной эффектами его самовоздействия, без применения сложных экспериментальных методик.

Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1. Источником когерентного излучения является непрерывный твердотельный лазер (YAG:Nd3+) с удвоением частоты, работающий в режиме одной продольной моды (длина волны света Х=532 нм, диапазон варьирования выходной мощности 0^50 мВт).

В экспериментах поперечное сечение лазерного пучка имело форму от круговой (с диаметром около 1 мм) до эллиптиче-

ской, с эллиптичностью до 1:6, что достигалось с помощью коллиматора из цилиндрических линз. Световой пучок проходил через пластину Х-среза

(НЛ) толщиной 1,5 мм в направлении нормали к ее плоскости. Для пучка с эллиптическим сечением меньшая полуось эллипса ориентировалась вдоль оптической оси кристалла. Световая мощность составляла от 5 мВт (для кругового сечения пучка) до 50 мВт (для эллиптического), поляризация света соответствовала необыкновенной волне в кристалле. Поле прошедшего ИФП и отраженного от его входной плоскости световых пучков изучалось с помощью анализатора лазерных пучков BS-FW-FХ33 (АЛП), сопряженного с персональным компьютером (ПК). Одновременная визуализация полей прошедшего и отраженного пучков одной видеокамерой достигалась с помощью светоделительных кубиков (СК) и зеркала (З). Приповерхностная область пластины легирована ионами Fe и Си путем последовательной термиче-

ской диффузии. Глубина диффузии Fe составляла ~50 мкм, а Си ~150 мкм. Размеры образца вдоль осей Y и Z - 8x20 мм2. Время экспонирования ИФП в экспериментах варьировалось от нескольких десятков секунд до нескольких минут.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: Л - лазер; СК - светоделительные кубики; НЛ - образец ниобата лития; З - зеркала; АЛП - анализатор лазерных пучков; ПК - персональный компьютер

82

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ

Эволюция распределения интенсивности в прошедшем ИФП световом пучке с круговым сечением иллюстрируется картинами его поля, полученными с помощью анализатора лазерных пучков (левый столбец), и профилями интенсивности в направлении оптической оси кристалла (правый столбец), представленными на рис. 2, а. В начальный момент времени ^ = 0) световой пучок характеризуется гауссовым профилем. После экспонирования в течение нескольких секунд при световой мощности 5 мВт и диаметре пучка 1 мм распределение интенсивности в его поперечном сечении существенно изменяется, в его центральной области появляется провал. Затем в этой области вновь возникает максимум, а два образовавшихся провала в световом поле сдвигаются на периферию пучка (см. рис. 2, а; t=30 с). При увеличении времени экспонирования это распределение становится еще более сложным (см. рис. 2, а, t=60 с), причем изменения в световом поле наиболее сильны в направлении вдоль оптической оси кристалла, что обусловлено фото-вольтаическим механизмом транспорта носителей заряда в ^1№ЪОз, который проявляется в их движении в направлении, параллельном полярной оси кристалла. В результате, в освещенной области возникает электрическое поле пространственного заряда Esc с преимущественным направлением вдоль этой оси. Аналогичные изменения в пространственной структуре поля прошедшего светового пучка наблюдаются и для пучков с эллиптическим поперечным сечением, что иллюстрирует рис. 2, б. В данном случае световая мощность составила 35 мВт, соотношение полуосей эллипса было 1:6, а ширина пучка в направлении оптической оси ~2 мм. Ввиду меньшей плотности мощности света требуемое время экспонирования для наблюдения изменений в распределении интенсивности в пучке составило уже несколько минут.

г=о

30 сек

60 сек

¿=0

1 мин

8 мин

-1,5 -1 -0,5 0 0,5

Ъ, мм мм

а б

Рис. 2. Картины распределения интенсивности света в прошедшем ИФП световом пучке с круговым поперечным сечением

Одновременное наблюдение полей прошедшего ИФП и отраженного от него световых пучков позволяет не только сравнить характер изменения их пространственной структуры в поперечном сечении (рис. 3, а), но и проследить за изменением коэффициентов отражения и пропускания ИФП при индуцировании в нем оптической неоднородности. Так, на рис. 3, б представлены зависимости мощностей прошедшего ИФП и отраженного от него световых полей в случае лазерного пучка с круговым сечением диаметром около 1 мм и мощностью 5 мВт. Можно видеть, что в ходе эксперимента снижение коэффициента пропускания ИФП сопровождается увеличением его коэффициента отражения.

Таким образом, результаты экспериментальных исследований продемонстрировали возможность управляемой трансформации профилей когерентных световых пучков в не-

линейном интерферометре Фабри-Перо с оптически индуцированными неоднородностями на основе фоторефрактивных образцов ^1№Ъ0з^е:Си. Способность длительного хранения фоторефрактивных голограмм в образцах ^1№Ъ0з^е:Си вместе с их сравнительно низкой фоторефрактивной чувствительностью в длинноволновой области видимого спектра и в ближнем инфракрасном диапазоне указывают на возможность создания оптически управляемых фазовых транспарантов для преобразования профилей когерентных световых пучков на основе подобных интерферометров Фабри-Перо.

Рис. 3. Картины светового поля в прошедшем через ИФП

световых пучках - а; б - зависимости мощностей отраженного (1) от ИФП и прошедшего (2) через него световых полей в случае лазерного пучка кругового сечения

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (НИР РНП.2.1.1.429, НИР по госконтракту № 02.740.11.0553).

Литература

1. Rodas-Verde M.I. Dynamics of vector solitons and vortices in two-dimensional photonic lattices / M.I. Rodas-Verde, H. Michinel, Yu.S. Kivshar // Opt. Lett. - 2006. -№ 31. - P. 607-609.

2. Gahagan K.T. Optical vortex trapping of particles / K.T. Gahagan, G.A. Swartz-lander // Opt. Lett. - 1996. - Vol. 21, № 11. - P. 827-829.

3. Davidson N. Diffractive elements for annular laser beam transformation / N. Davidson, A.A. Friesem, E. Hasman // Appl. Phys. Lett. - 1992. - Vol. 61, № 4. - P. 381-383.

4. Continuous-phase elements can improve laser beam quality / Ram Oron, Nir Davidson, A. Asher Friesem, Erez Hasman // Opt. Lett. 2000. - Vol. 25, № 13. - P. 939-941.

5. Nonlinear Bloch modes in two-dimensional photonic lattices / Denis Trager, Robert Fischer, Dragomir N. Neshev et al. // Opt. Express. - 2006. - Vol. 14, № 5. - P. 1913-1923.

6. Гиббс Х. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. -М.: Мир, 1988. - 518 с.

7. Шандаров В.М. Эффект компенсации темновой проводимости LiNbO3:Fe при его легировании медью // Письма в ЖТФ. - 1995. - Т. 21, № 12. - С. 46-50.

8. Петров М.П. Фоторефрактивные кристаллы в когерентной оптике / М.П. Петров, С.И. Степанов, А.В. Хоменко. - СПб.: Наука, 1992. - 317 с.

Перин Антон Сергеевич

Студент гр. 156 РТФ ТУСУРа

Тел.: 8-923-487-27-25

Эл. почта: perin@sibmail.com

Козлова Светлана Михайлова

Студентка гр. 156 РТФ ТУСУРа

Шандаров Владимир Михайлович

Д-р физ.-мат. наук, проф. каф. СВЧиКР ТУСУРа

Perm A.S., Kozlova S.M., Shandarov V.M.

Spatial self-action of coherent light beams in the photorefractive Fabry-Perot interferometer

The strong variations in intensity distributions of laser beams over their cross-sections due to a spatial self-action effect are experimentally demonstrated for Fabry-Perot interferometers in lithium niobate samples with a surface doped by photorefractive impurities,namely by iron and copper. Keywords: nonlinear interferometer, photorefractive effect, Gaussian beam, lithium niobate.

-i-1->,

8 10 t, мин

а

б