9. ДИНАМИЧЕСКАЯ РЕГИСТРАЦИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ВОЛНОВЫХ ПОЛЕЙ

Развитие методов глубокой записи голограмм обусловило появление «динамической голографии». Под этим обычно понимают ситуацию, когда картина стоячих волн записывается в нелинейной среде, т. е. в такой среде, которая реагирует на излучение непосредственно в момент его воздействия. Динамическая голография представляет собой синтез голографии и нелинейной оптики, причем голография используется для описания сложных трансформаций волновых фронтов, а нелинейная оптика — для описания характера поведения светочувствительной среды при воздействии на нее излучения.

Собственно говоря, динамические эффекты были обнаружены в первых же экспериментах по записи глубоких голограмм, поскольку для записи таких голограмм применялись щелочно-галогенидные кристаллы и кристаллы ниобата лития — явно нелинейные среды. В ходе этих исследований выяснилось, что динамические эффекты представляют самостоятельный научный интерес и что их

не следует рассматривать только с точки зрения тех помех, которые они вносят в процесс записи голограммы. Американские исследователи Стаблер и Амодей [39] обнаружили один из наиболее интересных динамических эффектов, а именно направленную передачу энергии между взаимодействующими в объеме голограммы волнами Этот эффект, наблюдающийся при записи в кристаллах ниобата лития, в общих чертах сводится к следующему (рис. 10). Предположим, что на кристалл V падают две плоские волны образующие стоячую волну с распределением интенсивности показанным на рисунке слева. Благодаря особым свойствам кристалла ниобата лития возникающая под действием этой стоячей волны гармоника распределения показателя преломления (ее максимумы обозначены на рисунке окажется несколько смещенной относительно гармоники интенсивности — вниз или вверх в зависимости от направления оптической оси кристалла С. Оказывается, что если упомянутый сдвиг равен четверти периода гармоники, то по мере записи голограммы энергия выходящих из кристалла волн первоначально имеющих одинаковые амплитуды, начнет перераспределяться. При этом волна усиливается, ослабляется. В правой части рис. 10 приведены зависимости интенсивности этих волн от времени. Если ориентация оптической оси кристалла меняется на 180°, то волны как бы меняются местами и направление переноса энергии меняется на противоположное.

Физический смысл этого явления достаточно прост. Как видно из рис. 10, при сдвиге на четверть периода максимумы интенсивности поля стоячей волны попадают на какие-то определенные «склоны» гармоники распределения показателя преломления. В результате оказывается, что волновое поле проходит через кристалл таким образом, что волны становятся неравноправными. Одна из них (в данном случае отражается от гармоники показателя преломления как от более плотной среды, а другая волна как от менее плотной среды.

Рис. 10. К рассмотрению явления направленной передачи энергии между волнами интерферирующими в динамической голограмме, записанной в объеме V кристалла ниобата лития. С — оптическая ось кристалла; интенсивность стоячей волны, образовавшейся при интерференции волн максимумы гармоники показателя преломления, возникающей в кристалле под действием стоячей волны; зависимость интенсивности выходящих из кристалла волн от времени экспозиции динамической голограммы.

В такой ситуации, как известно, одна из составляющих при отражении теряет по фазе половину длины волны, а вторая сохраняет ту же фазу. Та компонента, которая, отразившись от склона гармоники показателя преломления, потеряла половину периода, сложится с прошедшей сквозь склон волной с обратным знаком. Амплитуды этих двух волн вычтутся друг из друга, и интенсивность соответствующей выходящей из кристалла суммарной волны уменьшится. Интенсивность другой покидающей кристалл волны, в которую входит компонента, не изменившая фазу при отражении от структуры голограммы, соответственно увеличится.

В 1973 г. советский физик Соскин [40] предложил использовать этот интересный эффект для коррекции формы волновых фронтов излучения лазеров [40]. Действительно, если на объемную светочувствительную нелинейную среду V направить излучение неправильной по форме интенсивной волны лазера, излучение которого необходимо скорректировать, и одновременно с этим слабую по интенсивности, но правильную по форме волну то, обеспечив сдвиг структуры голограммы относительно структуры интерференционной картины на четверть периода, можно добиться того, чтобы энергия волны перешла в волну 5 (рис. 11). В работе [41] показано, что таким образом энергия может быть перекачана полностью.

Рис. 11. Коррекция формы волнового фронта излучения лазера с помощью динамической сдвиговой трехмерной голограммы. интенсивная неоднородная волна; слабая волна правильной формы; V — динамическая сдвиговая голограмма; исправленный и усиленный волновой фронт.

Последующие более тщательные исследования показали, что хотя сдвиговые голограммы действительно можно использовать для исправления формы волновых фронтов лазеров, однако в этом случае трудно избежать нелинейных искажений, наводимых макроструктурой пучка. Более удачными оказались схемы, основанные на эффекте обращения волновых фронтов.

Первую схему обращения волнового фронта, называемую четы-рехволновой, фактически повторяющую в динамическом варианте рассмотренную выше схему обращения статической трехмерной голограммы, предложили советские физики Степанов, Ивакин и Рубанов [42], а также независимо от них американский физик Вордман [43]. На рис. 12 поясняется принцип действия этой схемы и возможный способ использования обращенной волны для компенсации влияния оптических неоднородностей рабочего тела лазерного усилителя. В этом случае созданная задающим генератором

слабая плоская волна проходит слева направо через оптически неоднородное тело усилителя Оптические неоднородности усилителя приводят к искажению этой волны и ее трансформации на выходе в волну сложной формы усиленную относительно первоначальной. Четырехволновая динамическая голограмма формируется в нелинейной среде вследствие смешения волны, вышедшей из усилителя, плоской опорной волны и распространяющейся навстречу ей волны полученной при отражении опорной волны от зеркала

Рис. 12. Схема получения обращенной волны с помощью четырехволновой динамической голограммы и использования этой волны для коррекции излучения лазера. исходная плоская волна; та же волна, деформированная после прохождения лазерного усилителя динамическая голограмма; опорная волна; зеркало, считывающая волна; волна, обращенная по отношению к волне исправленная и усиленная волна.

При рассмотрении механизма действия этой голограммы можно принять, что в результате интерференции волны, вышедшей из усилителя, со встречной по отношению к ней опорной волной образуется трехмерная голограмма, характеризующаяся изофазными поверхностями При считывании такой голограммы волной, которая, отразившись от зеркала, распространяется навстречу опорной, формируется волна обращенная по отношению к волне, записанной на голограмме. С тем же основанием можно считать, что роль опорной волны при записи голограммы выполняет волна, отраженная от зеркала, а считывание осуществляется плоской волной В обоих случаях результат будет одинаковым; образуется волна, совпадающая по форме с объектной волной, падающей на голограмму, но распространяющаяся в противоположном направлении. Такая обращенная волна после прохождения строго по обратному пути через усилитель приобретает

искажения противоположного знака и трансформируется в плоскую волну , усиленную и распространяющуюся навстречу исходной волне

Рагульский, Зельдович и др. [44] нашли еще один, более естественный способ получения обращенных волн. Оказалось, что если на кювету К, заполненную веществом, которое способно к вынужденному рассеянию Мандельштама— Бриллюэна (например, сероуглерод), направить волну с неоднородным волновым фронтом, то от кюветы эта волна отразится в виде волны обращенной по отношению к волне, падающей на кювету (рис. 13). Система с такими свойствами называется «бриллюэновским зеркалом».

Рис. 13. Схема обращения волнового фронта бриллюэновским зеркалом и использования обращенной волны для фокусировки на мишень. диффузный экран; точка, подсвеченная излучением постороннего лазера; волна, исходящая из точки лазерный усилитель; волна, искаженная оптическими неодиородностями лазерного усилителя; К — кювета, заполненная веществом, способным к вынужденному рассеянию света на звуке; волна, обращенная бриллюэновским зеркалом; усиленная исправленная волна, фокусирующаяся на мишень.

Механизм действия бриллюэновского зеркала можно интерпретировать следующим образом. В данном случае в кювете регистрируется безопорная трехмерная голограмма типа рассмотренной на рис. 9. Отличие заключается лишь в характере реакции светочувствительной среды: в случае обычной голографической записи показатель преломления светочувствительной среды изменяется пропорционально интенсивности воздействующего излучения. В соответствии с этим световые «сгустки», образовавшиеся в результате интерференции падающего на голограмму излучения, регистрируются средой в виде соответствующих равномерно заполненных сгустков показателя преломления. В случае же бриллюэновского зеркала благодаря специфическим свойствам среды в местах расположения световых сгустков развивается процесс вынужденного рассеяния света на звуке, в результате чего каждый световой сгусток заполняется звуковой волной, распространяющейся в том же направлении, что и излучение, падающее на кювету. Гребни звуковой волны, следующие друг за другом на расстоянии А, сильно отражают в обратном направлении падающий на них свет,

аналогично тому, как это делает система следующих друг за другом металлических зеркал трехмерной голограммы (на рис. 13 эти гребни показаны в виде отдельных вертикальных штрихов).

Изменение характера отклика светочувствительной среды, естественно, приводит к изменению результата взаимодействия восстанавливающего излучения со структурой голограммы. Если на равномерно заполненных сгустках показателя преломления излучение только преломлялось и поэтому восстановленная волна распространялась в том же направлении, что и падающая, то в случае бриллюэновского зеркала те же сгустки, модулированные поперечными звуковыми волнами, сильно отражают свет в обратном направлении. Изменению направления волны на противоположное при неизменной общей конфигурации картины ее интерференции (конфигурация сгустков в обоих случаях одинакова, изменяется только их наполнение) соответствует переход к сопряженной волне.

Обращение волнового фронта при записи безопорных динамических голограмм в средах, в которых происходит вынужденное рассеяние света на звуке, представляет собой, по-видимому, лишь одно из проявлений общего свойства вынужденного рассеяния. В частности, обращенную волну наблюдали Соколовская и др. [45] в экспериментах со средами, способными к вынужденному комбинационному рассеянию. Однако в этом случае обращенная волна претерпевает существенные изменения, обусловленные тем, что этот вид вынужденного рассеяния претерпевает сильный частотный сдвиг, т. е. длина волны обращенного излучения значительно отличается от длины волны падающего.

Одной из наиболее существенных перспектив использования операции обращения волнового фронта является осуществление автоматической фокусировки излучения на мишень, что крайне важно, например, для осуществления термоядерного синтеза. Схема эксперимента, выполненного для этих целей Рагульским и др. [46], поясняется также на рис. 13. Достаточно слабое излучение дополнительного лазера на рубине подсвечивает точку на экране Интенсивность волны излучения, рассеянного этой точкой, после прохождения волны через лазерный усилитель увеличивается; при этом оптические неоднородности усилителя вызывают трансформацию волны в волну Волна попадает на бриллюэновское зеркало К, обращается им и трансформируется в волну сопряженную с волной, падающей на кювету. После прохождения через усилитель обращенная волна переходит в волну обращенную по отношению к слабой волне, испущенной мишенью. Эта волна точно фокусируется на мишень, несмотря на присутствие оптических неоднородностей рабочего тела усилителя и оптических деталей, установленных на пути излучения.