- •Содержание
- •Введение
- •1. Дифракция света на объемных голографических решетках
- •1.1. Волновое уравнение в объёмной голограмме
- •1.2. Решение волнового уравнения методом связанных волн
- •1.3. Дифракционная эффективность объемных пропускающих и отражательных голограмм
- •1.3.1. Пропускающие голограммы
- •1 .3.2. Отражательные голограммы
- •1.4.1. Уравнения связанных волн при наличии сдвига голографической решетки относительно интерференционной картины
- •1.4.2. Пропускающие голограммы
- •1.4. Взаимная трансформация электромагнитных волн в объемных голограммах
- •1.4.3. Отражательные голограммы
- •2. Физика фоторефрактивного эффекта
- •2.1. История открытия явления фоторефракции
- •2.2. Физическая суть фоторефракции
- •Заключение
- •Список используемых источников
1.2. Решение волнового уравнения методом связанных волн
Метод связанных волн является приближенным методом решения дифференциальных уравнений при изучении дифракции света в объемных голографических решетках. Он отличается от других, более строгих методов сравнительной простотой и возможностью доведения решения до численных результатов без применения сложного машинного счета.
П
Рис. 2.
,
и отраженная (дифрагированная)
волны. Приближение связанных волн
предполагает, что электромагнитные
волны
и
удовлетворяют приведенным ниже
требованиям.
1. Амплитуды волн и являются векторными комплексными функциями некоторой вещественной координаты z. В случае плоскопараллельного регистрирующего слоя ось Oz направлена перпендикулярно к его границам. При этом напряженности электрического поля волн и могут быть представлены в следующем виде:
;
,
где
,
– векторные комплексные функции,
подлежащие определению с помощью решения
волнового уравнения (15) и учитывающие
влияние голографической решетки и
затухание электромагнитных волн из-за
поглощения;
;
(16)
есть волновые
векторы волн
и
;
– вещественная часть усредненного по
пространству показателя преломления
(17)
регистрирующей
среды после записи голограммы;
,
– единичные векторы волновой нормали.
Падающая волна удовлетворяет условию Брэгга
,
(18)
где
.
Для упрощения
дальнейших расчетов предположим, что
усредненный по пространству комплексный
показатель преломления
регистрирующей среды после записи
интерференционной картины совпадает
с показателем преломления
регистрирующей среды до записи голограммы.
Такое совпадение имеет место при
выполнении равенства
(19)
При этом волновые
векторы
и
распространяющихся внутри голограммы
волн
и
совпадают с векторами
и
волн R
и S,
которые были использованы при записи,
и удовлетворяют равенству
(20)
где
– волновой вектор решетки, направленный
перпендикулярно к плоскостям равной
диэлектрической проницаемости
.
Покажем, что равенство (20) эквивалентно условию Брэгга (18). Возведя это равенство в квадрат, получим
(21)
Учитывая, что
,
,
а также расположение векторов
и
,
(21) запишется в виде
,
(22)
где
– угол между векторами
и
.
Таким образом, векторное равенство (20) при одинаковой длине векторов и эквивалентно равенству (18), и его также называют условием Брэгга.
Предположим, что вектор падающей волны направлен перпендикулярно к плоскости. Такое же направление выберем и для вектора дифрагированной волны . Более строгое рассмотрение подтверждает справедливость сделанного выбора.
Для определения неизвестных скалярных функций R(z) и S(z) подставим суммарную напряженность электрического поля в толще голограммы без учета временного множителя
в волновое уравнение
(15), заменив косинус полусуммой экспонент
по формуле Эйлера
.
Мы опускаем в обозначениях волн
,
и волновых векторов
и
индекс 1, отличающий волны при восстановлении
от волн при записи, так как в силу равенств
(19), (20) и следствий из них сохранение
этого индекса здесь и в дальнейшем
нецелесообразно. Тогда волновое уравнение
принимает вид
.
(23)
,
так как
и
от у не зависят. Тогда (23) примет вид
(24)
Вычислим отдельно
производные
и
,
предположив, что амплитуды R(z)
и S(z)
– медленно изменяющиеся функции, и
поэтому
:
(25)
где
– проекции волновых векторов
и
на оси Ох и Oz
соответственно. Подставив выражения
(25) в волновое уравнение (24), получим
.
(26)
Пренебрежем первым
и четвертым слагаемыми в последних
скобках уравнения (26) как не удовлетворяющими
условию Брэгга (20), а во втором и третьем
слагаемых в этих же скобках произведем
замену
,
.
Для того чтобы
равенство (26) выполнялось при любых
значениях координат x, y, z, множители
при
и
следует приравнять к нулю. В результате
получим систему двух линейных
дифференциальных уравнений первого
порядка:
.
(27)
Учтем, что
,
.
Тогда, разделив обе части уравнений
(27) на коэффициенты при производных
и
,
получим:
(28)
Упростив (28), получим:
(29)
Преобразуем коэффициенты, входящие в систему уравнений (29). Из соотношений (16) следует, что
.
(30)
На основании
равенства (17) для случая слабого поглощения
(
,
)
получим:
;
(31)
.
Подставив значение
(31) в соотношение (30), а соотношение (30) в
выражения
,
,
входящие в систему уравнений (29), найдем
.
Введем обозначения:
,
(32)
используя которые, запишем систему уравнений (29) следующим образом:
.
(33)
Частное решение системы (33) ищем в виде
,
(34)
где
,
,
– комплексные постоянные. Подставляя
равенства (34) в систему уравнений (33) и
сокращая
,
получаем:
.
(35)
Исключение из системы уравнений (35) дает
.
(36)
Так как случай
соответствует тривиальному нулевому
решению системы уравнений (33) и не
представляет интереса, то из уравнения
(36) вытекает квадратное уравнение
.
Найдем корни этого уравнения:
.
(37)
С учетом выражения (37) общее решение системы уравнений (33) имеет вид:
,
(38)
где
,
,
,
– комплексные постоянные, определяемые
из граничных условий. Решение
записано по аналогии с
вследствие симметрии уравнений (33)
относительно функций R (z) и S (z).
Таким образом, получено общее решение
(38) волнового уравнения (24) в приближении
связанных волн.
Используя выражения
(34) и (37), можно определить условия, при
которых оправдано пренебрежение в
волновом уравнении (24) вторыми производными
по сравнению с первыми. Очевидно, что
величину вторых производных надо
сравнивать со слагаемыми, содержащими
первые производные. Производной
можно пренебречь при условии
.
(39)
Поскольку из
выражений (34) следует, что
,
,
неравенство (39) можно переписать следующим
образом:
или
.
(40)
С помощью выражений
(37), а также определений, входящих в эти
выражения величин (см. равенства (32)),
легко убедиться, что при выполнении
неравенств
,
,
которые имеют место практически для
всех регистрирующих сред,
является очень малой величиной. Если
учесть, что
,
где
– угол, образованный вектором
с осью Oz, то можно прийти к выводу, что
для
неравенство (40) удовлетворяется. На
практике угол
всегда значительно отличается от
.
Следовательно, при достаточно малом
поглощении и небольшой глубине модуляции
голографической решетки пренебрежение
производной
в волновом уравнении вполне оправданно.
Аналогичные рассуждения могут быть
проведены и для волны S.
На основании
численных оценок и экспериментальных
данных установлен критерий применимости
приближения связанных волн к решению
волнового уравнения. Это приближение
приводит к удовлетворительным результатам
при толщине регистрирующего слоя
.
Такое ограничение вытекает из критерия
объемности голограмм. Для регистрирующих
слоев толщиной
,
могут быть использованы результаты,
полученные для плоских (тонких) голограмм.
