Четырехволновое взаимодействие на резонансной и тепловой нелинейностях в схеме с обратной связью при больших коэффициентах отражения
- 作者: 1, 1
-
隶属关系:
- Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
- 期: 卷 1 (2022)
- 页面: 235-236
- 栏目: Физика
- URL: https://journals.eco-vector.com/osnk-sr/article/view/107878
- ID: 107878
如何引用文章
全文:
详细
Обоснование. Использование кольцевого резонатора, реализующего обратную связь по объектной или сигнальной волнам или по обеим волнам одновременно, является одним из перспективных способов повышения эффективности четырехволновых преобразователей излучения [1]. Для четырехволнового преобразователя излучения на тепловой нелинейности реализация обратной связи на объектную и сигнальную волны с помощью кольцевого резонатора позволила на порядки повысить коэффициент отражения таких преобразователей [2].
При взаимодействии излучения с реальной средой обычно несколько механизмов могут одновременно вносить заметный вклад в изменение комплексного показателя преломления. Например, при четырехволновом взаимодействии в поглощающих средах наряду с тепловой нелинейностью существенный вклад в объектную волну может быть связан с наличием резонансной нелинейности [3].
Цель — исследовать влияние обратной связи, реализуемой при помощи кольцевого резонатора, на амплитудные и пространственные характеристики четырехволнового преобразователя излучения на тепловой и резонансной нелинейностях.
Методы. В работе рассматривался процесс вырожденного четырехволнового взаимодействия ω + ω – ω = ω в среде с тепловой и резонансной нелинейностями. Обратная связь накладывалась на сигнальную и объектную волны с помощью кольцевого резонатора (см. рисунок).
Рис. Схема четырехволнового взаимодействия с обратной связью: 1 — зеркало связи, 2 — сферические зеркала, 3 — нелинейная среда
Нелинейная среда располагалась между зеркалами кольцевого резонатора. Сигнальная волна заводилась внутрь резонатора через полупрозрачное зеркало связи. Сферические зеркала осуществляли перенос пространственного распределения поля с передней грани нелинейного слоя на плоскость, расположенную на расстоянии L от задней грани нелинейного слоя.
Процесс четырехволнового взаимодействия описывался с помощью стационарного волнового уравнения и уравнения Пуассона. Изменение температуры представлялось в виде суммы медленно и быстро осциллирующих в зависимости от поперечной координаты составляющих. Волны накачки считались плоскими. Сигнальная и объектная волны раскладывались по плоским волнам. Составляющие температуры раскладывались по гармоническим решеткам. Рассматривалось приближение больших коэффициентов отражения. При больших коэффициентах отражения учитывается не только динамическая решетка показателя преломления, связанная с интерференцией сигнальной волны с первой волной накачки, но и динамическая решетка показателя преломления, возникающая при интерференции объектной волны со второй волной накачки.
В приближении заданного поля по волнам накачки, параксиальном приближении, получена система связанных дифференциальных уравнений для пространственных спектров сигнальной и объектной волн, пространственных спектров температурных решеток.
Система дифференциальных уравнений с учетом граничных условий анализировалась численными методами на основе многократного прохождения сигнальной и объектной волн нелинейного слоя в кольцевом резонаторе.
Результаты. Построены зависимости амплитудного коэффициента отражения и полуширины полосы пространственных частот объектной волны от нормированной интенсивности волн накачки в случае компенсации фазового набега, возникающего вследствие самовоздействия волн накачки, сопряжения граней нелинейного слоя (L = 0) и в отсутствие обратной связи. С ростом интенсивности волн накачки наблюдается монотонное увеличение, а затем уменьшение коэффициента отражения. При увеличении параметра, характеризующего соотношение между резонансной и тепловой нелинейностями, максимум зависимости коэффициента отражения от интенсивности волн накачки возрастает. Величина максимума при компенсации фазового набега больше, чем при сопряжении граней нелинейного слоя и отсутствии обратной связи. При равных интенсивностях волн накачки наблюдается корреляция между зависимостями амплитудных и пространственных характеристик от интенсивности волн накачки в случае компенсации фазового набега. Рост коэффициента отражения соответствует уменьшению полуширины полосы пространственных частот объектной волны, и наоборот.
Выводы. Наличие обратной связи, реализуемой с помощью кольцевого резонатора на сигнальную и объектную волны, позволяет значительно увеличить амплитудный коэффициент отражения четырехволнового преобразователя излучения на тепловой и резонансной нелинейностях.
全文:
Обоснование. Использование кольцевого резонатора, реализующего обратную связь по объектной или сигнальной волнам или по обеим волнам одновременно, является одним из перспективных способов повышения эффективности четырехволновых преобразователей излучения [1]. Для четырехволнового преобразователя излучения на тепловой нелинейности реализация обратной связи на объектную и сигнальную волны с помощью кольцевого резонатора позволила на порядки повысить коэффициент отражения таких преобразователей [2].
При взаимодействии излучения с реальной средой обычно несколько механизмов могут одновременно вносить заметный вклад в изменение комплексного показателя преломления. Например, при четырехволновом взаимодействии в поглощающих средах наряду с тепловой нелинейностью существенный вклад в объектную волну может быть связан с наличием резонансной нелинейности [3].
Цель — исследовать влияние обратной связи, реализуемой при помощи кольцевого резонатора, на амплитудные и пространственные характеристики четырехволнового преобразователя излучения на тепловой и резонансной нелинейностях.
Методы. В работе рассматривался процесс вырожденного четырехволнового взаимодействия ω + ω – ω = ω в среде с тепловой и резонансной нелинейностями. Обратная связь накладывалась на сигнальную и объектную волны с помощью кольцевого резонатора (см. рисунок).
Рис. Схема четырехволнового взаимодействия с обратной связью: 1 — зеркало связи, 2 — сферические зеркала, 3 — нелинейная среда
Нелинейная среда располагалась между зеркалами кольцевого резонатора. Сигнальная волна заводилась внутрь резонатора через полупрозрачное зеркало связи. Сферические зеркала осуществляли перенос пространственного распределения поля с передней грани нелинейного слоя на плоскость, расположенную на расстоянии L от задней грани нелинейного слоя.
Процесс четырехволнового взаимодействия описывался с помощью стационарного волнового уравнения и уравнения Пуассона. Изменение температуры представлялось в виде суммы медленно и быстро осциллирующих в зависимости от поперечной координаты составляющих. Волны накачки считались плоскими. Сигнальная и объектная волны раскладывались по плоским волнам. Составляющие температуры раскладывались по гармоническим решеткам. Рассматривалось приближение больших коэффициентов отражения. При больших коэффициентах отражения учитывается не только динамическая решетка показателя преломления, связанная с интерференцией сигнальной волны с первой волной накачки, но и динамическая решетка показателя преломления, возникающая при интерференции объектной волны со второй волной накачки.
В приближении заданного поля по волнам накачки, параксиальном приближении, получена система связанных дифференциальных уравнений для пространственных спектров сигнальной и объектной волн, пространственных спектров температурных решеток.
Система дифференциальных уравнений с учетом граничных условий анализировалась численными методами на основе многократного прохождения сигнальной и объектной волн нелинейного слоя в кольцевом резонаторе.
Результаты. Построены зависимости амплитудного коэффициента отражения и полуширины полосы пространственных частот объектной волны от нормированной интенсивности волн накачки в случае компенсации фазового набега, возникающего вследствие самовоздействия волн накачки, сопряжения граней нелинейного слоя (L = 0) и в отсутствие обратной связи. С ростом интенсивности волн накачки наблюдается монотонное увеличение, а затем уменьшение коэффициента отражения. При увеличении параметра, характеризующего соотношение между резонансной и тепловой нелинейностями, максимум зависимости коэффициента отражения от интенсивности волн накачки возрастает. Величина максимума при компенсации фазового набега больше, чем при сопряжении граней нелинейного слоя и отсутствии обратной связи. При равных интенсивностях волн накачки наблюдается корреляция между зависимостями амплитудных и пространственных характеристик от интенсивности волн накачки в случае компенсации фазового набега. Рост коэффициента отражения соответствует уменьшению полуширины полосы пространственных частот объектной волны, и наоборот.
Выводы. Наличие обратной связи, реализуемой с помощью кольцевого резонатора на сигнальную и объектную волны, позволяет значительно увеличить амплитудный коэффициент отражения четырехволнового преобразователя излучения на тепловой и резонансной нелинейностях.
作者简介
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
Email: alexakimov50@mail.ru
научный руководитель, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптики и спектроскопии
俄罗斯联邦, СамараСамарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
编辑信件的主要联系方式.
Email: kazakova.cen@yandex.ru
студентка, группа 4201-030402D, физический факультет
俄罗斯联邦, Самара参考
- Ивахник В.В. Обращение волнового фронта при четырехволновом взаимодействии. Самара: Самарский университет, 2010.
- Акимов А.А., Гузаиров С.А., Ивахник В.В. Качество преобразования излучения при четырехволновом взаимодействии на тепловой нелинейности с учетом обратной связи // Компьютерная оптика. 2021. Т. 45, № 5. С. 667–672.
- Majles Ara M.H., Mehrabani S, Malekfar R. Phase conjugation using four-wave mixing in fast green FCF dye — doped gelatin film // Advances in Nonlinear Optics. 2009. Vol. 2009. ID 371974. doi: 10.1155/2009/371974
补充文件
