3.3.4. Управляемые лазерным излучением оптические затворы на основе оптического эффекта Керра

Как было показано в ячейка Керра может быть использована для создания оптических затворов, время срабатывания которых достигает пикосекундного диапазона, если вместо внешнего электрического поля применить для переключения в соответствии с оптическим корреляционным методом ультракороткий световой импульс.

В основе оптического эффекта Керра лежит свойство молекул с анизотропной поляризуемостью ориентироваться под действием переменного поля в соответствии с законом распределения Больцмана преимущественно таким образом, что потенциальная энергия минимальна. При таком расположении молекул возникает различие между показателями преломления лип, для световых сигналов с поляризациями, параллельной и перпендикулярной задающему ориентацию полю (см. [16]).

Так как даже в очень сильных лазерных полях в общем случае то в распределении Больцмана достаточно ограничиться членом первого порядка малости по Тогда разность показателей преломления (при постоянстве светового потока) оказывается пропорциональной квадрату напряженности поля или интенсивности лазерного излучения

где — коэффициент нелинейного оптического лучепреломления. При изменяющейся во времени интенсивности лазерного излучения разность показателей преломления также меняется. Однако вследствие вязкости жидкости «отклик» не является мгновенным и возникает эффект памяти. Для простой модели с временем релаксации ориентации имеет место откуда следует, что

При правильном выборе геометрии установки (рис. 3.14, а) скорость срабатывания затвора определяется только длительностью переключающего импульса и временем релаксации ориентации. Подходящим материалом для затворов Керра является, например, сероуглерод, обладающий большим нелинейным коэффициентом и малым временем релаксации ориентации

(кликните для просмотра скана)

(Детальные исследования Танга [28] с применением фемтосекундных лазеров показали, что временная зависимость показателей преломления хорошо описывается суммой двух экспонент с постоянными времени 2,1 и 0,36 пс.)

Рис. 3.15. «Оптический радар» на основе ячейки Керра с пнкосекундным разрешением (по [3.24]).

Если длительность импульса велика по сравнению с временем релаксации ориентации, так что (3.13) следует как частный случай из (3.14), то при слабом срабатывании затвора интенсивность проходящего импульсного сигнала определяется выражением

Видно, что проинтегрированный выходной сигнал является мерой кросскорреляционной функции интенсивности третьего порядка. Если длительность включающего импульса мала по сравнению с длительностью сигнального, то . Это позволяет непосредственно определить форму сигнального импульса стробоскопическим методом путем его регистрации с различными временами задержки.

Особым преимуществом оптического затвора является то, что он позволяет исследовать временную структуру не только одиночного сигнала, но и двумерного множества источников сигналов (т. е. целое изображение) (см. рис. 3.14, а). Метод скрещенных импульсов (см. рис. 3.14, б) позволяет по одной реализации определить временную зависимость одномерного сигнала, например спектра.

Оптические затворы, скорость переключения которых не ограничивается временем релаксации ориентации или каким-либо другим временем релаксации, могут быть созданы на основе явлений сложения частот, параметрического усиления, а также нелинейного оптического обращения волнового фронта (см. [3.22, 3.23]).

Кроме анализа быстропротекающих процессов с испусканием света (см. разд. 9.1) оптические затворы применяются в «оптических радарах». В работе [3.24] удалось сфотографировать объект, расположенный за сильно рассеивающим материалом (см. рис. 3.15). Для этого импульс неодимового лазера на стекле с синхронизацией мод разделялся на зондирующий и включающий импульсы. Отраженный от объекта свет поступал на оптический затвор, момент открывания которого мог регулироваться. Малая длительность времени пропускания затвора позволяла регистрировать оптическую информацию, поступающую от узкой области, отстоящей от затвора на расстоянии от до где — время пропускания затвора, а определяется временем задержки между импульсами зондирования и включения. В приведенной в качестве примера установке применялись ультракороткие световые импульсы лазера на стекле с неодимом и затвор на основе эффекта Керра в Регистрируемые интервалы составляли примерно 1 мм. При соответствующем выборе регистрируется только свет, отраженный от исследуемого объекта, а не от рассеивающего материала, расположенного перед объектом. В [3.24] таким путем была получена фотография удовлетворительного качества плоского объекта, расположенного на расстоянии 10 мм за рассеивающим экраном. Сфотографировать этот объект обычным путем было невозможно.

Применение лазерных импульсов минимально достигнутой к настоящему времени длительности и безынерционных оптических затворов, например, на основе преобразования во вторую гармонику или параметрического эффекта позволяет довести пространственное разрешение до величины порядка 10 мкм.