Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

MICROGETEROGENEOUS MEDIA FOR DYNAMIC HOLOGRAPHY

Ivanov V.I. 1 Ivanova G.D. 1 Kirjushina S.I. 1 Mjagotin A.V. 1
1 Far Eastern State Transport University
1604 KB
The comparative analysis of the dynamic holograms recording efficiency in media with non-resonance mechanisms of optical nonlinearity is carried out. To assess the efficiency of recording the dynamic hologram it is proposed the most informative parameter – energy holographic sensitivity. The final parameter takes into account the fact that the efficiency of the hologram depends on its thickness (which is limited by absorption or scattering) and the wavelength of the radiation. For a 3-d hologram the value of this parameter corresponds to the minimum energy of the recording of radiation necessary for a change of the optical thickness on a wavelength of radiation, and characterizes the diffraction efficiency of the hologram. It is showed that the greatest value of this parameter are provided by thermodiffusion and electrostrictive mechanisms of concentration nonlinearity of liquid dispersed media.
dynamic holography
dispersion liquid
electrostriction
thermodiffusion
1. Betin A.A. Otrazhenie izluchenija SO2-lazera pri vyrozhdennom chetyrjohvolnovom vzaimodejstvii v zhidkostjah / A.A. Betin, E.A. Zhukov, O.V. Mitropol’skij // Kvantovaja jelektronika. 1985. T. 12, no. 9. p. 1890.
2. Doronin I.S. Termodiffuzija nanochastic v zhidkosti / I.S. Doronin, G.D. Ivanova, A.A. Kuzin, K.N. Okishev // Fundamental’nye issledovanija. 2014. no. 6–2. pp. 238–242.
3. Ivanov V.I. Dinamicheskie gologrammy v mikrogeterogennyh zhidkofaznyh sredah / V.I. Ivanov, A.I. Livashvili, A.I. Lobov, S.R. Simakov // Opticheskij zhurnal. 2004. no. 9. pp. 236.
4. Ivanov V.I. Obrashhenie volnovogo fronta pri chetyrehvolnovom smeshenii nepreryvnogo izluchenija v uslovijah sil’nogo samovozdejstvija / V.I. Ivanov, A.I. Illarionov, I.A. Korosteleva // Pis’ma v zhurnal tehnicheskoj fiziki. 1997. T. 23, no. 15. pp. 60–63.
5. Ivanov V.I. Termodiffuzionnyj mehanizm zapisi amplitudnyh dinamicheskih gologramm v dvuhkomponentnoj srede / V.I. Ivanov, K.N. Okishev // Pis’ma v «Zhurnal tehnicheskoj fiziki». 2006. T. 32, no. 22. pp. 22–25.
6. Ivanov V.I. Termodiffuzionnyj mehanizm izmenenija opticheskogo propuskanija dvuhkomponentnoj sredy / V.I. Ivanov, A.I. Livashvili, K.N. Okishev // Izvestija vysshih uchebnyh zavedenij. Priborostroenie. 2008. T. 51, no. 3. pp. 50–53.
7. Ivanov V.I. Termoinducirovannye mehanizmy zapisi dinamicheskih gologramm: monografija / Vladivostok: Dal’nauka, 2006. 142 p.
8. Ivanov V.I. Jelektrostrikcionnyj mehanizm samovozdejstvija izluchenija v zhidkosti s nanochasticami / V.I. Ivanov, A.I. Livashvili // Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Fizika. 2009. T. 4, no. 2. pp. 58–60.
9. Ivanov V.I., Kuzin A.A., Okishev K.N. Opticheskaja levitacija nanochastic: monografija. Habarovsk: Izd-vo DVGUPS, 2008. 105 p.
10. Ivanov V.I., Livashvili A.I. Jelektrostrikcionnyj mehanizm samovozdejstvija izluchenija v zhidkosti s nanochasticami // Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Fizika. 2009. T. 4, no. 2. pp. 58–60.
11. Ivanov V.I. Prostranstvenno-vremennye harakteristiki termoinducirovannogo mehanizma zapisi rel’efnyh dinamicheskih gologramm / V.I. Ivanov, A.I. Livashvili, T.N. Brjuhanova, N.N. Rekunova // Vestnik Tihookeanskogo gosudarstvennogo universiteta. 2011. no. 1. pp. 065–068.
12. Ivanov V.I. Termoinducirovannoe samovozdejstvie gaussova puchka izluchenija v zhidkoj dispersnoj srede / V.I. Ivanov, A.A. Kuzin, A.I. Livashvili // Vestnik Novosibirskogo gosudarstvennogo universiteta. Serija: Fizika. –2010. – T. 5, no. 1. рр. 5–8.
13. Ivanova G.D. Dinamicheskie gologrammy v zhidkofaznoj dispersnoj srede / G.D. Ivanova, S.I. Kirjushina, A.V. Mjagotin // Fundamental’nye issledovanija. 2014. no. 9–10. pp. 2164–2168.
14. Ivanova G.D. Issledovanie javlenij massoperenosa v binarnyh sredah termograficheskim metodom / G.D. Ivanova, S.I. Kirjushina, A.A. Kuzin // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2014. no. 2. URL: www.science-education.ru/116-12579.
15. Okishev K.N., Ivanov V.I., Kliment’ev S.V., Kuzin A.A., Livashvili A.I. Termodiffuzionnyj mehanizm nelinejnogo pogloshhenija suspenzii nanochastic // Optika atmosfery i okeana. 2010. T. 23, no. 2. pp. 106–107.

Динамическая голография – одно из перспективных направлений развития современной нелинейной оптики. В классической (статической) голографии запись голографической решетки (голограммы) в регистрирующей среде и восстановление записанной волны (изображения) считывающим излучением совершаются поэтапно. В случае динамической голографии эти процессы могут происходить одновременно – «в реальном времени». Это отличие значительно расширяет возможности применения голографии для управления пространственно-временной структурой излучения. Хотя основные принципы динамической голографии сформулированы относительно недавно, быстрое ее развитие уже привело к значительным результатам в таких, например, областях, как оптическая обработка информации, оптическая связь, управление световыми потоками [7]. На основе динамических голографических преобразователей создаются логические элементы ЭВМ с быстродействием до 10-12 с, системы оперативной памяти, управляемые транспаранты, оптические переключатели, ответвители и др. устройства оптоэлектроники, оптические корреляторы, служащие для голографического распознавания образов и т.д. [7].

Механизмы нелинейности сред, используемые для записи динамических голограмм, весьма разнообразны [1–8]. Наибольшие значения c(3) обеспечивают резонансные нелинейности – насыщение поглощения в газах, насыщение межзонного перехода в полупроводниках [7]. Однако применение этих механизмов нелинейности ограничено узким спектральным диапазоном. Свободным от этого недостатка и более перспективными с точки зрения использования многочастотного излучения являются среды с нерезонансной нелинейностью. Механизмы этого типа обеспечивают достаточную высокую эффективность нелинейного взаимодействия импульсного излучения в видимом и ИК-диапазонах спектра [1]. Наиболее актуально исследование указанного класса сред, обладающих большой нерезонансной термоиндуцированной нелинейностью, для ИК-диапазона спектра, где отсутствуют эффективные фоточувствительные механизмы нелинейности, успешно «работающие» в видимой части спектра и источники когерентного излучения в котором обладают, как правило, сложным и нестабильным спектральным составом.

Целью данной работы является сравнительный анализ различных механизмов нелинейности сред с точки зрения эффективности записи динамических голограмм.

Голографическая чувствительность

Обычно принято сравнивать различные среды и механизмы нелинейности по величине нелинейной восприимчивости третьего порядка c(3), характеризующего кубичный нелинейный отклик. В случае нерезонансной нелинейности (для слабопоглощающих сред) чаще используют другой параметр n2 = (∂n/∂I), который связан с c(3): n2[см2/кВт] = (2p/n0)2c(3) ед. СГСЕ. Однако использование только этого параметра часто не позволяет провести корректное сравнение и тем более оценить максимальные величины эффективности записи динамической голограммы. В большинстве случаев (и в первую очередь для тепловых нелинейностей) величина квазистационарного c(3) пропорциональна времени релаксации нелинейного отклика τ, т.е. зависит от геометрии схемы и условий эксперимента.

Поэтому для оценки эффективности записи динамической голограммы, наряду с n2, мы предлагаем использовать более информативный параметр – голографическую чувствительность по энергии [7]

ivan02.wmf, (1)

где a – коэффициент поглощения среды, l – длина волны излучения. Последний параметр учитывает ещё и тот фактор, что эффективность голограммы зависит от её толщины, которая ограничена поглощением или рассеянием среды (обычно величина c(3) ~ a), и длины волны излучения. Для объемной голограммы величина данного параметра соответствует минимальной энергии записывающего излучения, необходимой для изменения оптической толщины слоя среды на длину волны излучения и прямо характеризует дифракционную эффективность голограммы.

Дифракционной эффективностью голограммы называется отношение [7]

ivan03.wmf, (2)

где I0 – интенсивность падающего на голограмму считывающего луча; I1 – интенсивность света, продифрагировавшего в первый порядок дифракции на голограмме, представляющей собой обычно простую косинусоидальную решетку. Легко увидеть, что, например, для тонких амплитудно-фазовых голограмм параметр N2E однозначно характеризует дифракционную эффективность [7].

Более того, размерность введенной чувствительности N2E позволяет сравнивать как объемные, так и поверхностные механизмы нелинейности [7, 11]. Для последних голографическая чувствительность по энергии определяется как

ivan04.wmf, (4)

где r – амплитудный френелевский коэффициент отражения излучения границей раздела сред, W = Iτ – энергия импульса записывающего излучения.

Термоиндуцированные нелинейности однокомпонентных сред

Тепловая нелинейность является универсальной и существует в любой среде, поглощающей излучение. Для однокомпонентных сред простейший механизм нелинейности обусловлен тепловым расширением среды. При этом обычно используется запись фазовых голограмм, основанная на модуляции показателя преломления [1, 4, 5]. Выражение для коэффициента эффективной кубичной нелинейности можно получить, решая одномерное уравнение теплопроводности (учитывая, что n2 = (∂n/∂T)(∂T/∂I) [7]:

ivan05.wmf, (5)

где (dn/dT) – температурный коэффициент показателя преломления, cp и r – удельные теплоемкость и плотность среды. Параметр голографической чувствительности N2E находим из (1):

ivan06.wmf. (6)

Таким образом, величина тепловой нелинейности однокомпонентных сред определяется параметрами (dn/dT), cp, r.

Подставляя характерные параметры для полупроводниковых сред dn/dT = 2·10-4K-1, (cpr) ≈ 1 Дж/см3К, получаем (для излучения с длиной волны l = 10 мкм) N2E = 1 см2/Дж. Параметр (∂n/∂T) немного больше для большинства органических жидкостей и составляет (4÷7)10-4 К-1. Подставляя характерные значения для жидкостей (cpr) ≈ 1 Дж/см3К, dn/dT = 5·10-4K-1, получаем N2E = 3 см2/Дж, что несколько выше, чем для твердотельных сред. Рекордной величиной (∂n/∂T) обладают нематические жидкие кристаллы (НЖК) – вблизи фазового перехода (∂n/∂T) может достигать 10-2К-1 [7]. Однако для эффективной записи динамических голограмм излучением с интенсивностью в несколько мВт/см2 требуются среды с большей величиной коэффициента нелинейности.

Микрогетерогенные среды

Тенденция перехода к микрогетерогенным средам в направлении поиска больших нелинейностей прослеживается достаточно легко. Если в первых работах использовались нелинейные среды с типичной величиной n2 ~ 10-13 см2/Вт (например, молекулярная керровская нелинейность), то сейчас в микроэмульсиях экспериментально достигнуты величины n2 ~ 10-6см2/Вт (электрострикционная нелинейность) [3, 7, 8–10]. Многокомпонентные дисперсные среды (жидкофазные смеси, суспензии, эмульсии) характеризуются наличием целого ряда специфических механизмов нелинейности, которые отсутствуют в однокомпонентных средах. В частности, к ним относятся концентрационные нелинейности, обусловленные перераспределением компонент двухфазной среды в поле лазерного излучения. При этом концентрационные потоки в среде могут вызываться различными механизмами взаимодействия излучения с веществом.

Параметр эффективной нелинейности оценим следующим образом. В микрогетерогенной среде с частицами радиуса, много меньше длины волны излучения l, показатель преломления среды пропорционален концентрации частиц [7]:

ivan07.wmf, (7)

где d = (n2 – n1)/nq; n2,n1 – показатели преломления вещества дисперсионной среды и дисперсной фазы соответственно, j = (4/3)pr3C – объемная доля дисперсной среды, r – радиус микрочастиц. Тогда для любого концентрационного механизма нелинейности имеем:

ivan08.wmf. (8)

К термоиндуцированным механизмам дрейфа частиц в неоднородном температурном поле относятся термодиффузия (термофорез) в газах, суспензиях, эффект Соре в жидкофазных бинарных смесях [2, 7, 14]. В микрогетерогенной среде с различными показателями преломления компонентов на микрочастицы в электромагнитном поле действуют электрострикционные силы, которые также могут быть причиной возникновения концентрационных потоков [8–10, 13]. В зависимости от знака поляризуемости микрочастицы могут втягиваться (если показатель преломления вещества дисперсной фазы больше, чем дисперсионной среды) или выталкиваться (в обратном случае) из областей с большей напряженностью электрического поля Е электромагнитной волны.

В работе [7] получено выражение для голографической чувствительности дисперсной среды с учетом обоих концентрационных механизмов:

ivan09.wmf. (9)

При этом термоиндуцированная нелинейность жидкофазной двухкомпонентной среды определяется коэффициентами термодиффузии и диффузии (D21, D11) – 1-е слагаемое, а электрострикционная – поляризуемостью микрочастицы g (2-е слагаемое). Как видно из (9), оба механизма могут либо усиливать либо ослаблять друг друга в зависимости от знаков коэффициента термодиффузии и поляризуемости дисперсных частиц. Полученное выражение демонстрирует чувствительность термодиффузионного нелинейного механизма к пространственной частоте голографической решетки (в отличие от тепловой нелинейности однокомпонентных сред). Как показывают оценки и результаты экспериментальных работ для обоих концентрационных нелинейностей параметр голографической чувствительности может достигать N2E ≈ 10 – 100 см2/Дж.

Заключение

Проведенный выше анализ позволяет сделать следующие выводы. Для большинства нерезонансных механизмов параметр кубичной нелинейности n2 пропорционален времени релаксации. Так как время релаксации (например, время концентрационной или вращательной диффузии) возрастает с увеличением размеров частицы, то естественно ожидать больших параметров нелинейности в микрогетерогенных средах (суспензии, микроэмульсии), максимальный размер частиц в которых ограничен длиной волны излучения из-за светорассеяния.

Величина нелинейности не является единственным показателем, определяющим качество материала, так как основные параметры, как правило, взаимосвязаны: например, большое значение нелинейности обычно соответствует плохому временному разрешению, пространственное разрешение и чувствительность голографических сред также находятся в обратной зависимости (данный факт хорошо известен в обычной галоидосеребряной фотографии). Поскольку параметры известных материалов образуют дискретный набор, возникает проблема выбора среды с характеристиками, оптимальными для конкретного применения. Наиболее перспективны в этом смысле гетерогенные среды, очевидное преимущество которых, в частности, состоит в возможности изменения объемной доли различных компонент и их состава, то есть управления (в том числе в реальном масштабе времени) параметрами. Учитывая многообразие известных механизмов нелинейности и особенности их проявления в гетерогенных системах, а также то, что по величине голографической чувствительности такие материалы приближаются к полупроводниковым, можно выделить их в новый перспективный класс сред для динамической голографии.

Рецензенты:

Карпец Ю.М., д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры «Физика и теоретическая механика», ДВГУПС, г. Хабаровск;

Криштоп В.В., д.ф.-м.н., профессор, заведующий кафедрой «Физика и теоретическая механика», ДВГУПС, г. Хабаровск.

Работа поступила в редакцию 31.12.2014.