СПбГУ

Санкт-Петербургский государственный университет

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

                                                   

7. Использование нелинейных сред в динамической голографии

 

Быстрое изготовление и считывание голограммы возможно, например, за счет использования эффекта насыщения поглощения, приводящего к просветлению непрозрачных сред при воздействии на них световых потоков большой интенсивности. Принципиальная возможность существования таких процессов непосредственно следует из анализа механизмов взаимодействия света с веществом, адекватное описание которых возможно лишь на языке квантовой электродинамики.

Как известно, при взаимодействии света с атомами и молекулами его можно рассматривать как совокупность фотонов — ультрарелятивистских микрочастиц, подчиняющихся статистике Бозе-Эйнштейна. Важнейшим следствием этой статистики является то, что вероятность исчезновения (поглощения или распада ) частицы с заданными параметрами (энергией, импульсом, поляризацией и т.д.) пропорциональна числу уже имеющихся точно таких же частиц n, а вероятность появления новой частицы пропорциональна n+1. В конкретном случае поглощения и излучения света указанные особенности позволяют говорить о трех типах процессов: индуцированном поглощении и испускании фотонов атомами или молекулами, вероятности которых пропорциональны числу фотонов n и, следовательно, интенсивности света I, и независящем от интенсивности спонтанном испускании фотонов (соответствует «лишней» единице в вероятности появления бозе-частицы). Вследствие сохранения энергии испускание фотона сопровождается переходом атома или молекулы из состояния с большей энергией в состояние с меньшей или с «верхнего уровня» — (1) на «нижний» (0). Т.о. выражение для скорости изменения концентрации фотонов (и числа переходов атомов из верхнего состояния в нижнее) имеет вид:

(23),

где N0 и N1 -концентрация атомов в нижнем и верхнем состояниях соответственно, a — вероятность спонтанного излучения фотона возбужденным атомом на переходе1->0 в единицу времени.

Для вещества в обычных условиях (термодинамическое равновесие при тепловых энергиях, существенно меньших энергии фотона) количество атомов в нижнем состоянии существенно превосходит число возбужденных (N0>>N1). В результате в соответствии с выражением (23) скорость изменения концентрации фотонов оказывается отрицательной — происходит поглощение света.Из-за того, что переходы с поглощением доминируют над излучательными, увеличение интенсивности света приводит к увеличению концентрации возбужденных атомов и, следовательно, к уменьшению поглощения света. Нетрудно убедиться, что при концентрации атомов на уровнях 0 × 1 выравниваются и вещество перестает поглощать свет, т. е. становится прозрачным.

Подробнее просветление нелинейных сред изложено в приложении 5.

Характерное время насыщения поглощения света оказывается порядка времени жизни и для свободных атомов в возбужденном состоянии составляет величину около 10-8с. В случае конденсированного вещества (жидкости или твердые тела) это время оказывается существенно меньшим. Т.о. использование просветляющихся нелинейных сред позволяет практически мгновенно получать готовые голограммы. Очевидно, что для их считывания встречной волной нет необходимости в перемещении лазера: можно воспользоваться другим источником или частью опорной волны, обращенной при помощи системы неподвижных зеркал (рис. 5б). При этом в нелинейной среде будет возникать сразу две голограммы, обусловленные интерференцией предметной с каждой из встречных опорных волн. В результате их считывания теми же волнами помимо двух обращенных предметных волн возникают еще две «лишние», нефокусирующиеся на объекте, интерферирующие друг с другом. При определенном выборе сдвига фаз между встречными опорными волнами можно добиться того, чтобы «лишние» волны взаимно гасились. При этом оказывается, что две обращенные предметные волны усиливают друг друга.

Наряду с рассмотренным нелинейным эффектом индуцированной прозрачности существуют и другие механизмы, обеспечивающие быстрое возникновение голограмм, повторяющих изменяющуюся во времени интерференционную картину. Так например в средах с кубичной нелинейностью (возникающий при воздействии световых волн на молекулы электрический дипольный момент пропорционален кубу напряженности электрического поля) существует добавка к показателю преломления, пропорциональная интенсивности света.

В такой среде возникает фазовая решетка, представляющая собой чередующиеся области с различным показателем преломления. Ее действие которой на считывающую волну приводит к возникновению дифракционной картины, аналогичной возникающей на рассмотренных амплитудных решетках. Нелинейные среды с зависящим от интенсивности света показателем преломления вовсе не являются чем-либо экзотическим. Например, указанные нелинейный эффект легко наблюдается при распространении в атмосфере мощного лазерного излучения: увеличение показателя преломления воздуха внутри лазерного луча приводит к его самофокусировке.

Другим интересным подходом к решению проблемы ОВФ, основанном на родственных голографии идеях, является использование эффекта вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ), в основе которого лежит взаимодействие световых и акустических волн.

Ответственный за содержание: С. С. Смирнова, s.s.smirnova@spbu.ru

Поиск