Media-security

О ВОЗМОЖНОСТИ УСИЛЕНИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ

КОМБИНИРОВАННЫМ УСИЛИТЕЛЕМ НА ОСНОВЕ ГОЛОГРАФИЧЕСКОГО

УСИЛИТЕЛЯ И ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ

К.И.Земсков, М.А.Казарян, С.Ф.Люксютов, С.Г.Одулов,

Н.Г.Орлова, Г.Г.Петраш, М.С.Соскин

Усиление света на основе вынужденного излучения еще на начальном этапе развития квантовой электроники было использовано для создания усилителей яркости пучков, несущих оптическую информацию. В настоящее время лучшие результаты получены с усиливающими средами на основе паров металлов. В частности, усилители на парах меди позволяют усиливать яркость пучка в 10³ - 10⁴ раз /1/. Шумы такого рода усилителей обусловлены спонтанным излучением на лазерном переходе. В оптических системах, где используются такие усилители яркости, величина входного шумового сигнала в определенных случаях может оказаться больше собственного шума квантового усилителя из-за возможных паразитных светорассеянии.

Несколько позже была открыта другая возможность усиления световых пучков, основанная на четырехволновом квантовом взаимодействии в фоторефрактивных кристаллах. Один из вариантов такого усилителя использует смешение сигнальной волны с более интенсивной когерентной ей волной накачки в фоторефрактивном кристалле (ФРК) с нелокальным откликом /2/. К настоящему времени известно, что в результате прямого двухпучкового энергообмена в наилучшей фоторефрактивной среде batio₃ пучок, несущий изображение, усиливался в 4·10³ раз /3/.

В настоящей работе показано, что сочетание двух упомянутых принципов усиления позволяет получить качественно новый результат: возможность усиления когерентного сигнала с интенсивностью

- 140 -

ниже шума активного элемента лазера на парах меди (ЛПМ) за счет использования голографического предусилителя на ФРК ниобата бария-натрия (НБН).

При двухпучковом взаимодействии в ФРК со сдвиговой нелинейностью интенсивность слабого сигнального пучка экспоненциально растет ~ ехр(Гl), причем коэффициент усиления Г задается выражением:

где Г_эфф - эффективный электрооптический коэффициент, n -показатель преломления, λ - длина волны, q - угол схождения пучков в среде, e_sc - поле пространственного заряда, задаваемое диффузным полем либо полем нарушения квазинейтральности /3/, s _Т - темновая проводимость среда, s _Ф - фотопроводимость. Как видно из вышеприведенной формулы, коэффициент усиления не зависит ни от отношения интенсивностей сигнального пучка и пучка накачки m=i_h/i_c ни от суммарной интенсивности i₀=i_h+i_c до тех пор, пока фотопроводимость s _Ф=æ·i₀ намного превышает темновую проводимость(æ - константа фотопроводимости). Следует, однако, иметь в виду, что уменьшение интенсивности пучка накачки увеличивает время релаксации нелинейности и, соответственно удлиняет время записи голографической решетки в ФРК. В связи с этим минимальная интенсивность взаимодействующих пучков i₀ должна выбираться такой, чтобы обеспечить требуемое быстродействие голографического усилителя.

На рис. показаны блок-схема (А) и схема экспериментальной установки (б) исследованного каскадного усилителя. Сигнальный пучок направлялся в предусилитель, в который вводился также когерентный ему пучок накачки. Усиленный в ФРК сигнальный пучок попадал далее в активный элемент ЛПМ УЛ-102 для дальнейшего усиления. В случае усиления изображения транспаранта на пути сигнального пучка устанавливались дополнительные оптические элементы. Сигнальный пучок и пучок когерентной накачки формировались из выходного излучения вспомогательного лазера, использующего

- 141 -

тот же активный элемент с парами меди, что и для усиления. Таким образом автоматически решалась задача синхронизации импульсов генератора и усиливающего элемента. Для улучшения пространственной когерентности излучения использовался телескопический резонатор, образованный зеркалами 2 и 4 с фокусными расстояниями 250 см и -1,5 см, внутрь резонатора помещалась диафрагма 3 диаметром 0,3 см. Излучением такого лазера возможна запись динамических решеток и усиление световых пучков в ФРК НБН /4/, При помощи зеркал 5,8,9,10,11 пучки накачки и сигнала сводились в образце НБН 15, оптическая ось которого ориентировалась в плоскости схождения пучков. После диафрагмы 6 излучение направлялось на диспергирующую призму 7, выделявшую из пучка генерации зеленую линию, призмы Глана 12,13 селектировали поляризацию падающих пучков так, чтобы возбудить в кристалле необыкновенные волны. Для управления интенсивностью сигнального пучка вводился набор светофильтров 14. Усиленный в ФРК пучок при помощи зеркал 16,17 снова направлялся в активную среду 1, усиливался в ней и выводился зеркалом 18 для визуального наблюдения на экране 19, либо регистрировался фотодиодом 20, соединенным с осциллографом c1-75.2i.

В описанной схеме было экспериментально получено усиление в активной среде 1 пучка света, мощность которого на входе голографического усилителя была меньше шумов активного элемента 1.

При перекрытом опорном пучке интенсивность сигнального пучка ослаблялась фильтрами 14 до тех пор, пока на экране 19 коллимированный усиленный пучок не исчезал на фоне шумового излучения активной среды 1. Включение пучка накачки, т.е. дополнительного предусиления, приводило к появлению на экране отчетливо видимого усиленного пучка. При количественных измерениях было установлено, что 20%-ное превышение сигнала над средним шумовым уровнем является критерием регистрируемости выходного сигнала. Показано, что двухкаскадная система позволяет усиливать сигнал с интенсивностью 3·1О^-7 Вт/см², в то время как без ФРК минимальная интенсивность входного сигнала была не ниже 2·lo^-6 Вт/см². Эти данные относятся к исходному сигнальному пучку с расходимостью 3·10^-4 рад, после ФРК расходимость

- 142 -

увеличивалась приблизительно вдвое. Общее усиление системы составляло около 270 раз.

Возможность снижения интенсивности регистрируемого сигнала в описанной схеме непосредственно связана с отличительными свойствами усилителей на ФРК. Шумы в ФРК по происхождению принципиально отличаются от шумов квантовых усилителей. Фактором шума здесь являются фотоны, рассеянные от волны накачки в направлении сигнальной волны. Основная причина появления шума - рассеяние на объемных оптических неоднородностях образца и дефектах поверхности. Этот источник является техническим и может быть минимизирован технологическими приемами. Причиной шума фундаментального характера является рассеяние на тепловых флуктуациях объемного заряда (на неоднородностях в заполнении ловушек носителями заряда). И в первом и во втором случаях интенсивность шума линейно зависит от интенсивности волны накачки. Исследование предельных шумовых характеристик процессов нелинейного квазивырожденного по частоте четырехволнового взаимодействия представляет собой самостоятельную практически неразработанную к настоящему времени область. Дальнейшие исследования должны показать, до какого абсолютного предела по интенсивности входного сигнала позволяют опуститься каскадные схемы усиления с использованием ФРК.

В заключение отметим, что помимо приведенной схемы с двухпучковым голографическим усилителем возможно применение параметрических усилителей как встречных /5/, так и попутных /6/, а также схемы генератора - двойного обращающего зеркала с неравными интенсивностями встречных пучков /7/. Для последней схемы снимается требование когерентности сигнальной волны и волны накачки: они могут формироваться на излучения однотипных, но независимых лазеров. С помощью ФРК возможно также преобразование некогерентного излучения в когерентное /8/, что позволяет ставить вопрос об усилении некогерентных сигналов.

143 -

(а)

(б)

Рис.

Блок-схема (а) и схема экспериментальной установки (б).

- 144 -

Л и т е р а т у р а

1. К.И.Земсков, М.А.Казарян, Г.Г.Петраш. УФН. 1978. Т.126.С.695.

2. n.kukharev, v.markov, s.odoulov, m.soskin, v.vinetskii. ferroelectrics, 1979, 22, 964.

3. t.tschudi, a.herden, j.goltz, h.klumb, f.laeri, j.albers. ieee journal of quant, elect., 1986, qe-22. 1493.

4. К.И.Земсков, М.А.Казарян и др. Краткие сообщения по физике. ФИАН. 1968. №2. С.47.

5. m.cronln-golomb, В.fisher, j.o.white, a.yariv. ieee journal of quant. electr. 1984, qe-20, 12.

6. И.Н.Киселева, В.В.Обуховский, С.Г.Одулов. ФТТ. 1986. Т.28. С.2974.

7. s.sternklar, s.weiss, m.segev, b.fisher. optics lett., 1986, 11, 528.

8. a.marrakchi, r.tangnay. d.psaltis, y.yu. josa, 1984, a1, 1313.