Регистрация / Вход
Прислать материал

Фоторефрактивные волноводные и интерферометрические элементы для нелинейного преобразования световых полей

ФИО
Перин Антон Сергеевич
Surname Name
Perin Anton
Организация
Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)
Область наук
Физика и астрономия
Название доклада
Фоторефрактивные волноводные и интерферометрические элементы для нелинейного преобразования световых полей
Project title
Photorefractive waveguide and interferometric elements for non-linear conversion of light fields
Резюме
В работе представлены результаты экспериментального исследования оптического индуцирования фотонных дифракционных структур в фоторефрактивном интерферометре Фабри-Перо (ИФП) на основе кристалла ниобата лития. Экспериментально продемонстрировано самоиндуцирование одномерных периодических дифракционных структур в кристалле. Изучены некоторые особенности пространственного самовоздействия лазерных пучков в фоторефрактивных ИФП на основе легированных фоторефрактивными примесями пластин ниобата лития. Экспериментально продемонстрирована компенсация нелинейной дифракции узких лазерных пучков с длиной волны 532 нм и 633 нм, а также формирование фотонных волноводов и волноводных схем за счет вклада пироэлектрического эффекта в нелинейный отклик кристалла ниобата лития.
Ключевые слова
фотоника, ниобат лития, солитон, волновод, интерферометр
Тезисы

Преобразование профилей световых пучков к нужному виду в современной оптике и оптоэлектронике  представляет существенный интерес как с точки зрения реализации разного рода нелинейно-оптических экспериментов [1], так и в прикладном плане, при создании лазерных манипуляторов микро- и наночастиц [2], при генерировании, обработке и передаче радио- и оптических сигналов [3-7]. Для изменения профилей используются как пассивные элементы [8-10], так и электрически управляемые пространственные модуляторы [11]. Принципиально пространственный модулятор может быть оптически управляемым, причем для фоторефрактивных материалов мощность управляющих пучков может лежать в микроваттном диапазоне. В последние годы значительно возрос интерес к разработке оптических систем записи, хранения и обработки информации на основе фотосегнетоэлектриков, что делает исследования свойств и характеристик распространения световых полей в фоторефрактивных материалах актуальными. Примером такого материала является сегнетоэлектрический кристалл ниобата лития (LiNbO3), который получил широкое распространение благодаря набору уникальных электрооптических, пьезоэлектрических и нелинейно-оптических свойств в комбинации с химической стабильностью и прозрачностью в широком диапазоне длин волн света. При введении фоторефрактивных примесей в LiNbO3, например, ионов железа (Fe) и меди (Cu) его оптическая однородность может быть нарушена воздействием оптического излучения. Используя данное явление, можно сформировать реконфигурируемые фотонные элементы, которые могут применяться при создании оптически управляемых устройств и приборов для преобразования и управления профилями лазерных световых пучков. Нелинейно-оптические эффекты в интерферометрах Фабри-Перо (ИФП) привлекали ранее повышенный интерес в связи с возможностью реализации на их основе полностью оптических бистабильных и мультистабильных элементов для оптических компьютеров [12]. ИФП на основе фоторефрактивных материалов не обладают требуемым для целей оптических вычислений быстродействием, однако позволяют реализовать эффекты обращения волнового фронта, нелинейные невзаимные и адаптивные элементы. Фоторефрактивная нелинейность LiNbO3 может изменяться в широких пределах при его легировании, например, ионами железа (Fe) и меди (Cu), а использование их комбинации с разным соотношением концентраций позволяет варьировать в широких пределах фоторефрактивные характеристики поверхностной области кристаллического образца, в том числе характерное время нелинейного отклика. Кроме того, благодаря низкой темновой проводимости LiNbO3 оптически индуцированные фоторефрактивные элементы в подобных образцах могут храниться в течение значительного времени, обладая в то же время способностью оптической реконфигурации. С другой стороны, инерционность фоторефрактивного нелинейного отклика дает возможность детального изучения временной эволюции структуры светового поля в подобном интерферометре, обусловленной эффектами его самовоздействия, без применения сложных экспериментальных методик.

Одним из интереснейших направлений при изучении поведения световых волн в нелинейных средах является изучение пространственно локализованных состояний электромагнитных волн – солитонов и их особенностей при бездифракционном распространении в нелинейных средах. Экспериментальные данные научных групп показывают, что в кристалле ниобата лития также возможна самоканализация световых пучков, ими представлена концепция пространственного пироэлектрического солитона – пиролитона. Основной идеей данной концепции является то, что температурный контроль спонтанной поляризации в кристалле LiNbO3 может создавать оптическую нелинейность, которая является доминирующей в среде наряду с фоторефрактивным эффектом. Изменение температуры приводит к изменению спонтанной поляризации и к возникновению пироэлектрического поля Epyro противоположного по направлению для поля пространственного заряда Esc, возникающего вследствие фоторефрактивного эффекта. Идея наших исследований заключается в проведении ряда исследований по изучению особенностей поведения световых пучков при их распространении в кристаллах ниобата лития с учетом вкладов фоторефрактивного и пироэлектрического эффектов. Получены количественные оценки времени хранения волноводных элементов, сформированных в LiNbO3, с учетом вклада пироэлектрического эффекта, а также проведены экспериментальные исследования по выявлению особенностей дифракции световых пучков в кристалле ниобата лития и в волноводных структурах, созданных на его основе, в условиях однородного нагрева образца.

Таким образом, изучение закономерностей распространения световых полей в фоторефрактивных волноводных и интерферометрических структурах является актуальным как с точки зрения получения фундаментальных знаний об особенностях взаимодействия оптического излучения с веществом, имеющим пространственно-неоднородное распределение физических параметров, так и в плане практического использования выявленных закономерностей при создании лазерных и оптических приборов и устройств.

  1. Rodas-Verde M. I. Dynamics of vector solitons and vortices in two–dimensional photonic lattices / María I. Rodas-Verde and Humberto Michinel // Opt. Lett. – 2006. – Vol. 31. – P. 607-609.
  2. Gahagan K. T. Optical vortex trapping of particles / K. T. Gahagan and G. A. Swartzlander. Jr. // Opt. Lett. – 1996. – Vol. 21. – № 11. – P. 827-829.
  3. Gribovsky A. V. The elliptic gaussian beam scattering on phased antenna array with rectangular waveguides / A. V. Gribovsky and O. A. Yeliseyev // Progress In Electromagnetic Research M. – 2012. – Vol. 22. – P. 109-121.
  4. Gribovsky A. V. Spatial modifications of three-dimensional elliptic Gaussian beam scattered by two-dimensional periodic array / A. V. Gribovsky and O. A. Yeliseyev // Advanced Electromagnetics. – 2012. – Vol. 1. – № 1 – P. 11-18.
  5. Letrou C. A Gaussian beam shooting scheme for fast multidimensional physical simulation of propagation channels in wireless communication systems / International Conference on Electromagnetic in Advanced Applications (ICEAA ’07). – 2007. – P. 33-36.
  6. Shlivinski A. A Phase-Space Beam Summation Formulation for Ultrawide-band Radiation / A. Shlivinski, E. Heyman, A. Boag, C. Letrou // IEEE Trans. on Antennas and Propagation. – 2004. – Vol. 52. – № 8. – P. 2042-2056.
  7. Fluerasu A. Gaussian beam based simulations of indoor radio propagation channels / A. Fluerasu, C. Letrou // Antennas and Propagation Society International Symposium. – 2003. – Vol. 2. – P. – 102-105.
  8. Davidson N. Diffractive elements for annular laser beam transformation / N. Davidson, A. A. Friesem, E. Hasman // Appl. Phys. Lett.  – 2009. – Vol. 61. – №4. – P. 381-383.
  9. Continuous–phase elements can improve laser beam quality / Ram Oron, Nir Davidson, Asher A. Friesem, Erez Hasman // Opt. Lett. – 2000. – Vol. 25. –№ 13. – P. 939-941.
  10. Conversion of a high–order mode beam into a nearly Gaussian beam by use of a single interferometric element / A. A. Ishaaya, G. Machavariani, N. Davidson, A. A. Friesem, E. Hasman // Opt. Lett. – 2003. – Vol. 28. – № 7. – P. 504-506.
  11. Nonlinear Bloch modes in two–dimensional photonic lattices / Denis Trager, Robert Fischer, Dragomir N. Neshev, Andrey A. Sukhorukov. Cornelia Denz, Wieslaw Kr.olikowski and Yuri S. Kivshar // Opt. Express. – 2006. – Vol. 14. – № 5. – P. 1913-1923.
  12. Гиббс Х. Оптическая бистабильность. Управление светом с помощью света. – М.: Мир. – 1988. 518 с.
Summary of the project
The results of an experimental study of the optical induction of photonic diffraction structures in a photorefractive Fabry-Perot interferometer (FPI) based on lithium niobate crystal have been presented. A self-induction periodic diffraction structure in the crystal has been demonstrated experimentally. Some features of the spatial self-actions of laser beams in photorefractive Fabry-Perot interferometers based on doped with photorefractive impurities lithium niobate plates have been studied. Formation of two-dimensional channel waveguides within a bulk of undoped lithium niobate has been experimentally demonstrated. Waveguide channels with diameter about 12 μm for the wavelength 532 nm and about 23 microns for a wavelength of 633 nm have been formed by the bright spatial solitons obtained at the compensation of the diffraction divergence of light beams in the crystal due to the contribution of the pyroelectric effect into the medium nonlinear response.
Keywords
photonics, lithium niobate, soliton, waveguide, interferometer