- •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
1.3. Дифракционная эффективность объемных пропускающих и отражательных голограмм
1.3.1. Пропускающие голограммы
Предположим, что
волновой вектор объемной синусоидальной
голографической решетки параллелен
границам регистрирующего слоя (рис. 3.).
Такую голограмму принято называть
пропускающей, так как дифрагированная
волна S выходит с той же стороны слоя,
что и прошедшая через голограмму опорная
волна R. Предположим, что средний
показатель преломления регистрирующей
среды совпадает с показателем преломления
окружающих ее областей пространства.
При этом преломление света на ограничивающих
слой плоскостях
и
можно не учитывать.
И
Рис. 3.
при входе в голограмму считается
заданной. Поэтому граничные условия
для амплитуд волн R и S
принимают следующий вид (см. систему
уравнений (38)):
;
.
(41)
Из равенства (41) получим, что
(42)
С помощью выражений
(38) и соотношения (42) найдем значение
и подставим его во второе уравнение
системы (35), полагая
и принимая во внимание соотношение
(42). В результате получим
,
откуда с учетом равенства (42) будем иметь
.
Подставив и во второе уравнение системы (38), найдем амплитуду дифрагированной волны на выходе голограммы при :
.
Определим дифракционную эффективность объемной пропускающей голограммы:
.
(43)
Проведем анализ выражения (43) для случаев чисто фазовых и чисто амплитудных голограмм. С целью упрощения конечных формул в различных частных случаях преобразуем выражения (32) таким образом, чтобы дифракционную эффективность (43) можно было выразить через модулированный комплексный показатель преломления регистрирующей среды:
.
(44)
Сравнивая равенство
(44) с выражением (4) диэлектрической
проницаемости
,
используя известное соотношение
и учитывая приближения
,
,
получаем:
;
.
(45)
Если предположить,
что
,
,
считая поглощение малым, то из соотношений
(45) нетрудно вывести приближенные
формулы:
(46)
Найдем дифракционную
эффективность фазовых пропускающих
голограмм в прозрачной регистрирующей
среде
.
В этом случае имеют место следующие
равенства (см. соотношения (32), (37) и (46)):
(47)
(48)
.
(49)
Подставив выражения (47) – (49) в равенство (43), получим
;
,
(50)
то есть дифракционная
эффективность пропускающих фазовых
голограмм при угле падения
периодически изменяется от нуля до
100 %. График зависимости
от
приведен на рис. 4.
О
пределим
дифракционную эффек-тивность амплитудных
пропускающих голограмм
.
В этом случае величины
,
,
,
,
и
в выражении (43) можно представить
следующим образом:
Рис. 4.
;
(52)
(53)
С учетом выражений (51) – (53) дифракционная эффективность принимает вид
.
(54)
Прежде чем
исследовать поведение функции
,
отметим, что
не может превышать
,
так как в противном случае мнимая часть
показателя преломления голограммы
была бы отрицательной для областей
пространства, в которых
,
т.е. соответствовала бы усиливающей
среде. Поскольку мы ограничиваемся
рассмотрением поглощающих сред, следует
положить
.
Отсюда очевидно, что максимум дифракционной
эффективности (54) может быть достигнут
при наибольшем значении величины
,
входящей сомножителем в
,
то есть
.
(55)
Подставляя выражения (51) и (52) в формулу (54) и принимая во внимание равенство (55), находим
.
(56)
Исследуем функцию на экстремум. Применим необходимое условие экстремума:
.
(57)
Разделив обе части
равенства (57) на
,
придем к уравнению
.
(58)
Для решения
уравнения (58) относительно величины
выразим
через
и
:
.
(59)
Подставив выражение (59) в равенство (58), будем иметь
.
(60)
После умножения
на
равенство (60) примет вид
,
откуда
или
.
Поскольку при
,
а при
,
функция
в точке
достигает максимума. Значит, при
выполнении равенства
,
то есть при определенной толщине
регистрирующего слоя
,
(61)
дифракционная эффективность голограммы наибольшая. Вычисляем максимальное значение дифракционной эффективности , подставляя значение толщины (61) в выражение (56):
;
.
Следовательно, максимальная дифракционная эффективность амплитудных пропускающих голограмм в десятки раз меньше максимальной дифракционной эффективности фазовых голограмм, достигающей в отсутствие поглощения 100 %.
П
Рис. 5.
.
Из графика следует, что с возрастанием
толщины регистрирующего слоя дифракционная
эффективность амплитудной голограммы
сначала возрастает, а затем падает,
асимптотически приближаясь к нулю. Для
оценки оптимальной толщины регистрирующего
слоя можно использовать выражение (61).
