
- •1 Введение
- •2 Теоретическая часть
- •2.1 Общие уравнения, описывающие встречное взаимодействие световых волн в кубических гиротропных фоторефрактивных кристаллах
- •2.2 Анизотропия вкладов внутримодовых и межмодовых процессов во взаимодействие
- •2.3 Двухпучковое взаимодействие линейно поляризованных волн
- •2.4 Приближение неистощаемой накачки
- •2.5 Контрольные вопросы
- •3 Экспериментальная часть
- •3.1 Схема лабораторной установки
- •3.2 Методика эксперимента
- •3.3 Задание на работу
- •3.4 Методические указания по выполнению работы
- •3.5 Содержание отчета
- •Список литературы

12
Таблица 2.1 – Коэффициенты gE и gI , характеризующие межмодовые и
внутримодовые процессы соответственно для различных направлений вектора отражательной решетки в кристаллах BTO и BSO
Направление |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
распространен |
[100 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[111] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ия волны |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
[100] |
[110] |
[110] |
[11 1] |
[112] |
[1 12] |
|||||||||||||||||||||
накачки [mnp] |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
BTO |
gI |
i |
|
i |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
-0.467 |
0.467 |
|||||||||||||||
|
gE |
0 |
0 |
0 |
0 |
-0.266 |
0.266 |
0.216 |
-0.216 |
||||||||||||||||||
BSO |
gI |
i |
|
i |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
|
0.407 |
-0.407 |
|||||||||||||||
|
gE |
0 |
0 |
0 |
0 |
0.235 |
-0.235 |
-0.130 |
0.130 |
При ориентации вектора K вдоль направлений вида <111> вклад этой компоненты во внутримодовые процессы отсутствует, в то время как коэффициент межмодовой связи принимает экстремальные значения ( gE 0.266 для BTO, см. рис. 2.3, а и табл. 2.1). Отметим, что фазовая
составляющая отражательной решетки не приводит к взаимодействию волн при ориентации вектора K вдоль кристаллографических направлений вида
<110> ( gI 0 , gE 0). Для такого среза кубического фоторефрактивного
кристалла встречное взаимодействие возможно только на амплитудной
(абсорбционной) компоненте отражательной решетки.
Модуль коэффициента gI определяется только ориентацией оси x,
которая совпадает с направлением вектора решетки K, и не зависит от ориентации осей y и z относительно кристаллографической системы координат (рис. 2.2). Однако аргумент I коэффициента gI
инвариантностью к выбору осей y и z не обладает, поскольку фазы входящих
в уравнения комплексных амплитуд собственных волн (см. формулы (2.3)),
характеризующих их поляризационное состояние, также зависят от ориентации этих осей. Приведенные на рис. 2.3, в ориентационные зависимости отражают поведение аргумента коэффициента gI для
выбранной (рис. 2.2) системы координат xyz. В этом случае коэффициент gI
является чисто мнимым при векторе отражательной решетки,
ориентированном в кристаллографических плоскостях типа {100}, и чисто вещественным для плоскостей типа {110}.
2.3 Двухпучковое взаимодействие линейно поляризованных волн
Из уравнений (2.11)-(2.14) и (2.6) следует, что при линейной поляризации взаимодействующих волн их амплитуды удовлетворяют
условиям Cp1(x) C*p 2 (x) Cp (x) |
и Cs1(x) Cs*2 (x) Cs (x) и могут быть |
представлены в виде: |
|

|
13 |
|
Cp1,2 (x) Cp (x) exp( i p (x)) , |
Cs1,2 (x) Cs (x) exp( i s (x)) . |
(2.15) |
В этом случае контраст интерференционной картины в кристалле,
определяемый формулой (6), является действительной функцией координаты x:
m(x) 2 |
Cs (x)Cp (x) Cs* (x)C*p (x) |
2 |
|
|
|
|
Cs (x) |
|
|
Cp (x) |
cos( s (x) p (x)) |
|
|
|
|
, (2.16) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 exp( x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I0 (x) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cp (x) |
Cs (x) |
2 exp( x) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
а уравнения связанных волн (11)-(14) сводятся к следующим двум |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
уравнениям: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dCs |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(2.17) |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dx |
4 m |
|
|
|
gI |
|
|
Cp |
exp( i(2 x I )) (gE g )Cp exp( x) , |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dCp |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 m |
|
gI |
|
Cs |
exp(i(2 x I )) (gE g )Cs exp( x) . |
|
|
|
|
(2.18) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
dx |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Переходя к интенсивностям волн сигнала Is (x) ~ |
|
|
Cs1(x) |
|
|
|
|
Cs 2 (x) |
|
|
|
exp( x) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
и накачки |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Cp1 |
(x) |
|
2 |
|
|
Cp 2 (x) |
|
2 |
в |
кристалле, |
из |
системы |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
I p (x) ~ |
|
|
|
|
|
|
exp( x) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
уравнений (2.17) и (2.18) получаем |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
I |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Is |
Is |
gI |
cos(2 x I |
s p ) (gE ga )cos( ) cos( ) |
|
|
|
|
s |
p |
|
, |
(2.19) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Is |
I p |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
I p |
|
I p |
|
|
gI |
|
cos(2 x I s p ) (gE ga )cos( ) cos( ) |
|
|
Is I p |
|
, (2.20) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I p |
|
|
|
|
Is I p |
||||||||||||
|
|
s |
|
|
|
|
|
|
gI |
|
|
sin(2 x I |
|
s p ) (gE ga )sin( ) cos( ) |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
(2.21) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x |
|
2 |
|
|
|
|
Is |
I p |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
p |
|
|
|
|
|
|
gI |
|
sin(2 x I |
s p ) (gE ga )sin( ) cos( ) |
|
|
|
|
Is |
|
|
, |
|
|
|
|
(2.22) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
x |
|
2 |
|
|
|
Is I p |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где s p .
Уравнения (2.19) – (2.22) позволяет полностью описать встречное взаимодействие при линейной поляризации волн для произвольной ориентации кристалла с учетом электрооптического и фотоупругого эффектов и дифракции на абсорбционной решетке.
В случае пренебрежимо малого вклада абсорбционной решетки во взаимодействие из уравнений (19) и (20) получаем
1 |
|
d (Is I p ) |
|
|
gI |
|
cos(2 |
x I s p ) gE cos( ) cos( ) . (2.23) |
|
|
|
||||||
(Is I p ) |
|
dx |
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Интегрирование этого выражения приводит к результату

14
Is (x)I p (x) Is (0)I p (0)
|
x |
gI |
|
exp |
cos(2 x I s p ) gE cos( ) cos( )dx , |
||
|
0 |
|
|
позволяющего ввести эффективный коэффициент усиления для взаимодействия в кристалле с толщиной, равной d, в виде:
eff d 0d gI cos(2 x I s p ) gE cos( ) cos( )dx .
(2.24)
встречного
(2.25)
Отметим, что данный коэффициент может быть выражен через интенсивности взаимодействующих волн:
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
eff |
|
Is ( d )I p ( d ) |
|
|
||||
|
ln |
|
|
|
, |
(2.26) |
||
d |
|
Is (0)I p (0) |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
которые, в свою очередь, могут быть легко определены из экспериментальных данных. eff характеризует эффективность встречного
векторного взаимодействия на фазовой отражательной решетке и не зависит от поглощения света в кристалле, а также от изменений поглощения, происходящих (см. [2, 3]) в процессе ее формирования.
2.4 Приближение неистощаемой накачки
Систему уравнений нелинейных (2.11)-(2.14) можно решить, используя приближение неистощаемой накачки, когда взаимодействующие в кристалле пучки накачки (P) и сигнала (S) имеют интенсивности, удовлетворяющие
неравенству IP (x) IS (x) .
Как следует из (2.24) и (2.25), эти интенсивности, вследствие взаимодействия на отражательной решетке, связаны известным соотношением [2-4]:
IS (x)IP (x) IS (0)IP (0)exp eff x , |
|
|
(2.27) |
||
где эффективный коэффициент усиления |
eff |
(t) (2 / )n3r |
E |
SC |
(t) |
|
0 eff |
|
|
определяется эффективными параметрами, учитывающими особенности встречного взаимодействия и динамику формирования решетки: электрооптической постоянной reff и зависящим от времени полем пространственного заряда ESC . Интенсивности волн сигнала и накачки в
кристалле, IS и IP , могут быть определены на входной и выходной гранях
x d и x 0 из измеряемых значений интенсивностей пучков (см. рис. 2.1) из следующих соотношений:
IP ( d ) (1 R)I0 |
, IP (0) |
|
|
IP |
, IS ( d ) |
IS |
, IS (0) RIP (0) |
RIP |
, (2.28) |
|
1 |
R |
1 R |
1 R |
|||||||
|
|
|
|
|
где предполагаются равные коэффициенты отражения R от входной и выходной граней кристалла.