JPH0322963B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はビームの放射エネルギの実時間増幅用
オプチカルデバイスに係る。 この型の増幅は研究中のビームの通路にオプチ
カルデバイスを挿入することによつて行われ得
る。一つの公知例は記録媒質から成るオプチカル
デバイスの使用を伴い、この記録媒質内で研究中
のビームと第二のビーム、即ち所謂基準ビームと
の間に干渉が生じる。例として、前記記録媒質は
ビスマスシリコン酸化物、即ちBSOの如き感光
性電子光学材料であり得る。 この型の材料において物体から反射された波面
と基準波面との間の干渉によつて形成される縞図
は材料への記録時間として当然の余裕を伴う実時
間において物体波面の特性であるホログラムを構
成する屈折率層回折格子構造を生じる。前記層回
折格子構造は物体波面と同形の波面を有する回折
液中に入射基準波面のエネルギの一部分を回折さ
せる。単結晶BSOの如き実質的な厚さの感光性
記録媒質内のウエーブカツプリング現像
（wavecoupling phenomena）を利用するために
前記原理を採用することによつて、基準ビームか
ら物体のビームへのかなりのエネルギ伝達が、前
記結晶の横断後に達成され得る。直接伝送された
物体ビームの強さは、これらの条件でポンピング
波として作用する基準ビームの存在中に実用上２
乃至３の係数によつて増大される。しかしなが
ら、零場散乱による記録のみがこのウエーブカツ
プリングシステムに対する最適条件を満たす。こ
れらの条件は、高い屈折率変化を誘導することを
可能にする電場を加える際もはや満たされない。 本発明は光の作用によつて誘起された屈折率の
変化によつて動的ホログラムの記録を可能にする
材料における前記ウエーブカツプリング技術に係
る。提供されるデバイスは、基準波から物体波へ
のエネルギ伝達が、研究中の材料に加えられた横
の場（transverse field）の存在中に最適条件下
で起ることを確実にする。これらの条件は干渉縞
の移動を導入することによつて満たされる。従つ
て、研究中のデバイスはビームの放射エネルギの
干渉性増幅を可能にする。 本発明の目的は従つて、光の作用によつて誘起
された屈折率層の回折格子構造が実時間に記録さ
れる感光性記憶材料を含んでいる、ビームの放射
エネルギの実時間増幅のためのオプチカルデバイ
スである。前記層回折格子構造は干渉性光源から
発する入射物体ビームと前記物体ビームに関して
干渉性である基準ビームとの間の、前記材料の塊
の中での干渉によつて得られる。エネルギの伝達
は前記基準ビームと前記物体ビームとの間に生
じ、前記層の平面に垂直な電場は前記材料の端子
に加えられる。前記デバイス中、材料への記録時
間の間中、前記感光性材料の移動を可能にするた
めに機械手段が備えられ、屈折率層回折格子構造
とこれらの二つのビームの干渉縞図との間の移相
はこのようにして一定旦つπ／２に等しく維持さ
れている。 本発明の他の特徴は下記の説明と添付図面の考
察によつて更に明らかになるであろう。 本発明デバイスは光の作用によつて誘起された
屈折率の変化の原理に基いて動作する感光性媒質
への動的ホログラフイ的記録に基いている。動作
は第１図に図式的に示されている。物体によつて
回折された信号波面Σ_Oが基準Σ_Rによつて指示さ
れた平面波と干渉性方法で干渉する。干渉縞図は
実時間に光の作用によつて誘起された屈折率の変
化の形状で材料中に記録される。物理的に、ウエ
ーブカツプリングは、結晶を通過後基準ビームか
ら信号へのエネルギ伝達を結果として生じる。物
体ビームの強さは従つてこれらの条件下でポンピ
ング波として作用する基準ビームの存在中に増大
される。 相互用媒質の前面においてはこれらの二つのビ
ームの干渉から生じる縞の変調度は小さい。即ち

【式】但しI_O≪I_R， ここでI_O及びI_Rはビームの光度である。 相互作用媒質が動的であるので、位相回折格子
によつて回折された基準波は信号波と同一の波
Σ_dを発生する。 前記波Σ_dは、もし屈折率パターンが干渉縞に
よつて生じる空間的光度変調に関してΨ＝π／２
だけ移相されるならば、入射物体波Σ_Oと同位相
である。これらの条件で、縞の変調度はビームが
相互作用媒質を通過後増大する。この方法に従え
ば、非線形特性と、基準ビームから物体ビームへ
のエネルギのかなりの伝達とを有する記録媒質と
して作動する材料を得ることができる。 第１図に示す如く、例えばBSOの如き感光性
材料から切り取られた実質的な厚さの単結晶１が
波面Σ_Oを有する物体波２の通路におかれている。
結晶の厚さの中で、前記物体波が平らな波面Σ_R
を有する基準波と干渉する。 記録間隔τの後、このようにして形成された干
渉縞図１１が結晶中に屈折率層回折格子構造１２
を実時間に生じさせる。この層回折格子構造、即
ちパターンは基準波３のエネルギの一部分を回折
波４に回折させ、回折波４の波面は物体波面Σ_O
と同形である。 単結晶BSO及び他の類似の感光性エレクトロ
オプチカル結晶の場合、光の作用によつて誘起さ
れた回折格子構造は入射照明パターンに関して正
確にπ／２だけ移相され得る。従つて、このように して得られた回折波４は厳密に透過波５に重ねら
れる。これによつて達成される一般的効果はあた
かも透過物体波が基準波のエネルギの一部分で満
たされたのと同じである。二つのビームの干渉が
その中で起る結晶が実質的な厚さ（厚ち１cm程
度）であるならば、透過物体ビームは２乃至３の
係数によつて著しく強化され得る。事実、結晶の
前面上での２ビームの干渉は前述の過程に従う物
体ビームの強化の基本原因である。第２図中ａで
示す如き非常に小さい縞の変調度を考慮すると
き、物体と基準ビーム強度の比は前記入口面上で
実用上10^-3乃至10^-4程度であるから、物体ビーム
の強化は非常にわずかであることは事実である。 結晶内を伝播する際、前記強化物体波は再び基
準ビームと干渉し、このようにして縞の変調度を
増大させ、物体ビームと基準ビームが互いにその
中で干渉する結晶の厚さを通じて連続的に物体ビ
ームへのエネルギのわずかにより大きい付加的供
給を生じさせる。この過程の根拠は光によつて誘
起された新たな格子構造が干渉図と屈折率回折格
子構造との間のπ／２の移相という理由によつて主 要パターンと常に同位相であるという事実に存す
る。出口面上、縞の変調度は第２図のｂに示す如
く入口面上よりも大である。 従つて、そし媒質内の相互作用の長さが十分で
あれば、発現する物体ビームの強さのかなりの増
大を得ることができる。即ち実用上の操作条件の
下で２乃至３の係数による増大を得ることができ
る。 実質的な厚さの結晶内のウエーブカツプリング
の結果としての透過ビームの強さの前述の増大は
第３図のグラフに示されており、このグラフにお
いて前記強さは時間の関数で表わされている。こ
のグラフにおいて、直線４１は基準ビーム３のな
い場合の直接に透過された物体ビームの強さを表
わす。この強さは入射物体ビームが結晶BSO上
に到着した時刻０から一定である。 曲線４２は本発明の場合の、直接透過された物
体ビームの強さよりも２乃至３倍大きい強さを有
する、時刻τにおける回折物体ビームの構成を示
す。前記回折ビームのエネルギは基準ビームから
採取される。 結晶１は第１図中軸Ｏ−Ｘの方向に横の電場を
受けさせてもよく又は受けさせなくてもよい。干
渉図と屈折率回折格子との間のπ／２の移相は実動 的に設定されるが、増幅現象の効率は加えられる
電界が大きい値であるほど益々大きく、典型的に
は10及び20kV×cm^-1M間である。干渉縞図を用
いる屈折率回折格子構造のこの飽和記録は瞬間的
ではなくあらかじめ定められた時間の長さτ、典
型的には100msを必要とし、パターン、即ち回折
構造の消去に対しても同様である。 BSO結晶内のエネルギ伝達現象の実用上の応
用は、電場が〔001〕方向に加えられるような、
旦つ縞が電場の平均的方向に垂直であるような結
晶配向に対する必要を伴う。即ち、 Ｉ(x)＝I_p（１＋ｍ cosK_x）． このようにして電場の方向、即ちｘ軸の方向に
対する単結晶の優先的配向は第４図に示された配
向であり、換言すれば結晶001面に垂直である。
｛110｝面又は｛１10｝面へのビームの入射角は、
縞のピツチを決定し、20゜乃至30゜付近で最適であ
る。例として、前記入射角は物体ビームの場合＋
20゜，基準ビームの場合−20゜であり得る。基準ビ
ームから物体ビームへのエネルギ伝達に対して要
求される時定数τは入射ビーム、即ち基準及び物
体ビームの強さの比に実用上独立であつて、τは
前記比が１から1000まで変化するとき50から
100msまで変化する。透過物体ビームの場合に得
られる増幅係数は、これもまた前記強さの比が10
よりも高くなると直ちにこの強さの比に独立であ
つて、結晶に加えられる電場がしきい値10kV・
cm^-1を超えるときこの電場の非線型関数である。
更に、20kV・cm^-1より大きい値で操作すること
は技術的に困難である。 光の作用によつて誘起される屈折率の変化を記
録するために二つの方法がある。 一つの記録方法は零場“散乱”から成る。即ち
E_O＝０；Λ0.5乃至1μm. この場合、光の作用によつて誘起された屈折率
変調の幅Δn_aは小さいが照明の勾配に比例する。 即ち Δn_a∝dI／dx もう一つの方法は加えられた電場E_p6kV・cm
^-1，Λ3μmの下での“ドリフト”による記録か
ら成る。 前記電場は屈折率層の平面に垂直に加えられ
る。この場合、屈折率変化の幅Δn_bは大であり、
実用上照明と同位相である。即ち nb∝Ｉ(x)；Δn_b≫Δn_a ウエーブカツプリングΨ＝±π／２の場合に最
適条件を満たす唯一の記録方法は零場散乱E_p＝０
の方法である。しかしながら、実験的に得られた
エネルギ伝達は、光の作用によつて誘起される屈
折率の変化が小であるので、制限されたままであ
る。 本発明によるデバイスは材料への記録の時間
中、干渉縞の適当な移動を導入することによつ
て、加えられた電場内に記録によつて引き起され
た大きい屈折率変化を利用することを可能にす
る。 前述の、材料の移動は入射照明に対して光の作
用によつて誘起されたパターン（回折格子構造）
の移相を結果として生じる。適当な移動量で、前
記移相は最適値Ψ＝＋π／２に調整され得る。これ らの条件の下で、結晶を通過後基準波から信号波
への大きなエネルギ伝達が起ることが実験的に確
立されている。入射像の増幅は加えられた電場の
値がΛ3μmの層のピツチに対して6kV・cm^-1を
越える場合に得られた。 二つのビーム２及び３の干渉に対応する入射照
明は形状 Ｉ（ｘ，ｔ）＝I_p（１＋ｍ coskx） の信号であり、但しｍは変調度、ｋ→はｋ＝2π／Λの 如き波ベクトル、Λは層のピツチである。 非局所的レスポンプを有する材料を考えるなら
ば、これは電場を受ける電子工学媒質に関する場
合であるが、 Δn＝Δn_pcos（Kx＋φ′）， 但し、Δnは媒質内での屈折率変化である。 先に定めた如き理想的解決はφ′＝π／２従つてΔn ＝Δn_psin kxを得ることであるが、これは今考慮
している場合について可能ではない。電場の存在
するとき、媒質内の波の最適なカツプリングはも
はや起らず、このことから層の移動の必要が生じ
る。Ｖを前記層の移動率と仮定する。もしτを層
の記録時間とすると、次の時間レスポンスを得
る。即ち このレスポンスは第５図に示され、ここでΔn_s
は飽和時のΔnの値である。 この層の移動に際して、 Ｉ（ｘ，ｔ）＝I_p〔１＋ｍ cos（ｋ（ｘ−vt））〕
， 但しｍは変調度で、 Δn∝Ｉ（ｘ，ｔ）， Δn（ｘ，ｔ）はパルスのレスポンスで、 Δn（ｘ，ｔ）＝Ｉ（ｘ，ｔ）δ（ｔ）， ここでδ（ｔ）は材料のレスポンスであつて、 Δn＝mΔn_scosφcos〔ｋ（ｘ−vt）＋φ〕， 但しtgφ＝kvτ， ここでτは第５図に示す如くΔnの確立に含まれ
ている遅延である。 ΔnはΔn₁とΔn₂に分解され得て、Δn₁は照明と
同位相、Δn₁は前記照明と直角位相である。 Δn₁＝mΔn_scosφcosφcosk（ｘ−vt）， Δn₂＝mΔn_scosφsinφsink（ｘ−vt）， Δn₂は最適なエネルギ伝達を生じる如きウエー
ブカツプリングを可能にする成分である。 Δn₂がφ＝π／４に関する最大値 ⇒tgφ＝１＝kvτ， Δn₂＝ｍΔn_skvτ／１＋k²v²τ²sink（ｘ−vt） ⇒Δn₂＝mΔn_s２sink（ｘ−vt）， 第６図に描かれた曲線を得る。この曲線は VoΛ／2πτに対して最大値を有する。 次に、 S_s＝S_eｅ（〓^-d）ｅ の如き増幅を得て、ここでS_sは出力信号、S_eは入
力信号、αは吸収損、Γは増幅、ｅは結晶内の相
互作用の長さである。 Γ＝4πΔn₂／λcosθ ここでθは媒質中の入射記録ビームの間の半角
であり、kvτ＝１に対して最適のΓを得る。 前述の層移動を行うために、媒質１は第７図に
示される如く記録時間τの間に電動機２５を用い
て速度ｖ移動され得る。この材料移動はしかしな
がら第８図に示す如く基準波の通路に位相変調器
２０を配置することによつて省き得る。この変調
器は、vτΛ／2πの如き速度ｖで縞の移動を確実にす る。前記移相は例えば圧電トランスジユーサと結
合されたミラーを用いて又は必要な速度に従つて
音響光学デバイスを用いて行われ得る。圧電トラ
ンスジユーサと結合されたミラー２４による前記
移相の実行の一つの実用的な形状を第９図に示
す。連続的操作の場合、第１０図に示される如き
のこぎり波形を有する制御信号Voを準備する。
例として、前記ミラー２４はフイルムの形状をし
た圧電材料から作られており、このフイルムの一
面は金属化されている。制御電極２３の一つは第
９に示す如く実際この目的のために用いられ得
る。 のこぎり波信号は一定であるように見える層の
移動を生じさせるのに役立つ。前記信号の振幅は
整数の縞の移動を可能にしなければならない。第
１０図の曲線はミラーの移動を表わす。もしλが
反射ビームの波長であつて、ミラーの一つの移動
がこのビームのレベルで２だけ増幅されるなら
ば、前記信号によつて現わされる移相はそれ故に
ｋλ／２に等しい。 このように、もし移動速度ｖがvτ＝Λ／2πの如き ものならば、それに応じてエネルギ伝達に関して
最適条件が達成される。例えば次の値を考慮する
ことができる。 τ1ms・Λ＝3μm ⇒ｖ＝Λ／2πτμm／ｓ， 加えられた電場E_p＝10kVcm^-1の場合、得られ
る利得Γ＝2.4cm^-1即ちα＝1.9cm^-1に対してS_s：
1.5S_e． 先に述べたデバイスはBSOの結晶で得られる
材料よりもはるかに短い時定数を有する他の型の
材料に応用され得る。例えば半導体材料の場合、
τ＝10^-9secを得ることができる。干渉縞の迅速
な移動は音響光学デバイスによつて容易に得られ
る。このデバイスは例えば周波数Ｆ＝１／2πτ，τ ＝10^-9s，Ｆ200MHzで作動する。 この場合音響光学的ドリフト現像が連続作動の
ために利用され、音響光学材料は周波数Ｆを有す
る信号によつて制御される。入射信号が周波数
oを有するので、発現する信号は周波数r＝o
＋Ｆを有し、屈折率ｏ及びｒはそれぞれ入射ビー
ム及び偏向ビームに係り、大文字は音響波に係
る。事実屈折媒質中の音響波の伝播は同現波妨害
による前記媒質の光学的屈折率に関して表わされ
て、前記同期波妨害の起源は圧力の局所分布によ
る材料の局所密度に加えられる変調に存する。 光学的見地から、この音響光学材料中に形成さ
れ旦つΛ_FV_F／Ｆに等しいピツチを有し、それ故に V_Fτ_F＝Λ_F2π：Ｆ＝１／2πτ_Fの如き位相回折格子 は、従つて周波数Ｆを有する進行波に対応する。 Λ_F＝3μm，τ_F＝1ns，V_F＝0.5×10⁹μm／ｓ 及びＦ200MHz を考えることができる。 位相変調器又は音響光学デバイスが基準ビーム
の上にではなく入射物体ビーム上に都合よく配置
され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明デバイスの動作の説明図、第２
図は結晶の入口面及び出口面における縞の変調度
を表わすグラフ、第３図は結晶内のウエーブカツ
プリングの結果としての透過ビームの強さを時間
の関数として表わしたグラフ、第４図は電場の方
向に対する単結晶の優先的配向の説明図、第５図
は縞図による照明後の屈折率変化曲線の説明図、
第６図は与えられた縞移動率に対する屈折率変化
曲線の説明図、第７図は本発明のオプチカルデバ
イスの説明図、第８図及び第９図は前記デバイス
の別の具体例の説明図、第１０図は第９図に示さ
れた圧電ミラーの移動曲線である。 １…感光性記録材料、２…入射物体ビーム、３
…基準ビーム、１１…干渉縞図、１２…屈折率層
回折格子構造、２４…ミラー、２５…電動機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ビームの放射エネルギの実時間増幅用オプチカ
   ルデバイスであつて、光の作用によつて誘起され
   た屈折率層の回折格子構造が実時間で記録される
   感光性記録材料を含んでおり、前記層の回折格子
   構造は干渉性光源から発する入射物体ビームと前
   記物体ビームに関して可干渉である基準ビームと
   の間の前記材料塊内における干渉によつて得ら
   れ、エネルギ伝達は前記基準ビームと前記物体ビ
   ームとの間で行われ、層の平面に垂直な電場は前
   記材料の端子に加えられており、材料への記録時
   間中前記感光性材料の移動を可能にするために機
   械手段が準備されており、屈折率層回折格子構造
   と前記２ビームの干渉縞図との間の移相がこのよ
   うにして一定且つπ／２に等しく維持されること
   を特徴とするビームの放射エネルギの実時間増幅
   用オプチカルデバイス。 ２ 前記機械手段が電動機を含んでいることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載のデバイ
   ス。 ３ 感光性材料の移動率がΛ／2πτに等しく、こ
   こでΛは層のピツチ、τは媒質への記録時間であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
   のデバイス。 ４ 感光性記録材料が電子光学材料であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のデバイ
   ス。 ５ 記録材料がビスマスシリコン酸化物の単結晶
   であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に
   記載のデバイス。 ６ 電場が単結晶の方向［001］に加えられ、ビ
   ームは｛110｝面又は｛１10｝面に入射されるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載のデ
   バイス。 ７ ビームの放射エネルギの実時間増幅用オプチ
   カルデバイスであつて、光の作用によつて誘起さ
   れた屈折率層の回折格子構造が実時間で記録され
   る感光性記録材料を含んでおり、前記層回折格子
   構造は干渉性光源から発する入射物体ビームと前
   記物体ビームに関して可干渉である基準ビームと
   の間の前記材料塊内における干渉によつて得ら
   れ、エネルギ伝達は前記基準ビームと前記物体ビ
   ームとの間で行われ、層の平面に垂直な電場は前
   記材料の端子に加えられており、材料への記録時
   間中、前記層の移動を引き起こすために前記２ビ
   ームの一つの通路上に位相変調手段が配置されて
   おり、屈折率層回折格子構造と前記２ビームの干
   渉縞図との間に移相がこのように一定且つπ／２
   に等しく維持されることを特徴とするビームの放
   射エネルギの実時間増幅用オプチカルデバイス。 ８ 位相変調手段が圧電トランスジユーサと結合
   されたミラーを含むことを特徴とする特許請求の
   範囲第７項に記載のデバイス。 ９ 時間の関数としてのミラーの移動曲線がのこ
   ぎり波形を有することを特徴とする特許請求の範
   囲第８項に記載のデバイス。 １０ 前記のこぎり波が周期τ、移相振幅kλ／
   ２を有し、ここでλは通路にミラーが配置されて
   いるビームの波長、ｋは１以上の整数、τは材料
   への記入時間であることを特徴とする特許請求の
   範囲第９項に記載のデバイス。 １１ ミラーの移動率はΛ／2πτに等しく、ここ
   でΛは層のピツチ、τは媒質への記入時間である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載
   のデバイス。 １２ 位相変調手段が音響光学デバイスを含むこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載のデ
   バイス。