DE4233059A1

DE4233059A1 - Verfahren zum messen der zeit zum ausbilden eines brechungsindex-beugungsgitters eines photo-nichtlinearen mediums

Info

Publication number: DE4233059A1
Application number: DE4233059A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Uesu; Jun Iba; Toshiyuki Yoshihara; Kazuyasu Hikita; Hiroyuki Iizuka
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1992-03-19
Filing date: 1992-10-01
Publication date: 1993-09-23
Also published as: JP2953184B2; JPH05265059A; GB2265216A; GB2265216B; FR2688899A1; GB9220276D0; FR2688899B1; US5303032A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Vier-Wellen-Mischverfahren zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Welle unter Verwendung eines lichtbrechenden Effekts eines photo-nichtlinearen Mediums. Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zum Messen der Zeit zum Ausbilden eines Brechungsindex- Beugungsgitters eines photo-nichtlinearen Mediums gemäß einem Ver fahren zum Mischen von vier Wellen.

Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, enthält eine Vier-Wellen-Mischvorrichtung ein photo-nichtlineares Medium 1, das aus lichtbrechendem Kristall hergestellt ist. Beide sich gegenüberstehende Oberflächen des photo nichtlinearen Mediums 1 sind darauf mit Lichteinfalls-Oberflächen 1a und 1b ausgebildet. Ein Paar externer Elektroden 1c und 1d sind an beiden sich gegenüberstehenden Oberflächen in der orthogonalen Richtung zu der Normalrichtung der Lichteinfalls-Oberflächen 1a und 1b vorgesehen. Bezugszeichen 2 und 3 bezeichnen jeweils einen ersten und einen zwei ten Pumpstrahl, 4a einen Prüfstrahl und 5 eine phasenkonjugierte Welle, die durch Vier-Wellen-Mischung erzeugt ist. Der Prüfstrahl 4 und der erste Pumpstrahl 2 bilden einen bestimmten Winkel R zwischen ihnen, um auf die Lichteinfalls-Oberfläche 1a des photo-nichtlinearen Mediums 1 einfallend zu sein; der zweite Pumpstrahl 3 wandert auf dem gleichen optischen Pfad wie und in der entgegengesetzten Richtung zu dem ersten Pumpstrahl 2 und ist auf die Lichteinfalls-Oberfläche 1b einfallend.

Der erste Pumpstrahl 2 und der Prüfstrahl 4 sind einfallend auf die Lichteinfalls-Oberfläche 1a des photo-nichtlinearen Mediums 1, um Licht interferenzlinien in der Normalrichtung der Lichteinfalls-Oberfläche zu erzeugen. Die Lichtinterferenzlinien bilden ein Brechungsindex-Beugungs gitter 6.

Ein Verfahren zum Ausbilden des Brechungsindex-Beugungsgitter 6 ist im folgenden erklärt. In dem lichtbrechenden Kristall ist ein Pegel geschaf fen, bei dem eine Unreinheit oder ähnliches als ein Donator oder als ein Akzeptor wirkt, die jeweils elektrische Ladungen haben. Wie es in Fig. 6(a) gezeigt ist, werden, wenn eine Lichtinterferenz zwischen dem ersten Pumpstrahl 2 und dem Prüfstrahl 4 ein Muster eines Lichtkon trastes erzeugt, d. h. die Interferenzlinien in dem Kristall, dann elektrische Ladungen, z. B. Elektroden bei einem hellen Bereich, zu einem Leitungs band angeregt. Wenn das externe elektrische Feld nicht an das Kristall angelegt wird, werden die Elektronen in dem Leitungsband s diffundiert, was in Fig. 6(b) gezeigt ist, und bei dem anderen Pegel gefangen, um eine Raumladungsverteilung zu reduzieren, wie es in Fig. 6(c) gezeigt ist. In einem derartigen Fall wird das externe elektrische Feld durch die Elektroden 1c und 1d angelegt, die an dem Kristall vorgesehen sind. Die so angeregten Elektronen müssen driften, um einen größeren Bewe gungsabstand zu erhalten.

Bei der vorangehenden Anordnung induziert die Raumladungsverteilung, die in dem Kristall entlang der Richtung "x" erzeugt ist, ein elektrisches Teilraumfeld E, wo eine Änderung des Brechungsindex durch den Pok kels-Effekt auftritt, der durch ein derartiges elektrisches Feld verursacht wird. Die Ladung ρ genügt der folgenden Gleichung:

dE/dx = -ρ. (1)

In dem Fall, in dem die Elektronen diffundiert werden, um sich zu bewegen, wird das Brechungsindex-Beugungsgitter 6, das durch die Bre chungsindexänderung gebildet ist, in seiner Phase um π/2 relativ zu einer Lichtintensitätsverteilung (Lichtkontrast) verschoben. Andererseits gelan gen aufgrund des Verfahrensschritts des Driftens aufgrund des externen elektrischen Felds das Brechungsindex-Beugungsgitter 6 und die Licht intensitätsverteilung beide in Phase zueinander. Auf diese Art wird ein Phänomen, bei dem der Brechungskoeffizient durch Lichtstrahlung auf den Kristall geändert wird, Lichtbrechungseffekt genannt.

In dem Fall, in dem optische Frequenzen ω des Prüfstrahls 4 und der Pumpstrahlen 2 und 3 gleich zueinander gemacht sind, und ein anderer kohärenter zweiter Pumpstrahl 3 auf das Brechungsindex-Beugungsgitter 6 durch die Lichteinfalls-Oberfläche 1b einfallend ist, wird dann der zweite Pumpstrahl 3 durch das Brechungsindex-Beugungsgitter 6 abgelenkt und der abgelenkte Strahl 5 wandert in der umgekehrten Richtung auf dem optischen Einfallspfad des Prüfstrahls 4. Ein solcher abgelenkter Strahl 5 ist eine phasenkonjugierte Welle mit der gleichen optischen Frequenz ω (Phase) wie jener der drei Wellen des Prüfstrahls 4 und der Pumpstrahlen 2 und 3, und mit einer Beziehung, daß er zu einer elek trischen Feldamplitude des Prüfstrahls 4 komplex konjugiert ist.

Die phasenkonjugierte Welle 5 wandert umgekehrt genau entlang dem optischen Pfad, gefolgt durch den Prüfstrahl 4. Demgemäß werden durch ein Verwenden einer solchen Eigenschaft verschiedene Anwendungsmög lichkeiten, wie beispielsweise ein Echtzeit-Hologramm und ein Wiederher vorholen bzw. Aufbereiten eines Bildes erwägt. Jedoch ist bei dem den lichtbrechenden Effekt ausnutzenden Vier-Wellen-Mischverfahren ein Reflexionsfaktor der phasenkonjugierten Welle relativ gering. Zum Erhö hen des Reflexionsfaktors der phasenkonjugierten Welle sind für die Vier-Wellen-Mischvorrichtungen dieser Art ein Bewegungs-Beugungsgitter verfahren vorgeschlagen worden, bei dem das Brechungsindex-Beugungs gitter 6 und die Interferenzlinien jeweils in dem lichtbrechenden Kristall bewegt werden, wie es in den folgenden Dokumenten beschrieben ist:

1. J.P. Huignard, et. al., Optics Communications 38, 249 (1981).
2. N. Nuktarev, et. al., Ferroelectrics 22, 949 (1979).
3. H. Rajbenback, et. al., Optics Letters, 9, 558 (1984).
4. J.P. Huignard, et. al., Appl. Optics 24, 4285 (1985).

Fig. 7 ist ein Beispiel der Vier-Wellen-Mischvorrichtung, die auf dem Bewegungs-Beugungsgitter-Verfahren basiert. In Fig. 7 sind die gleichen oder entsprechende Teile wie in Fig. 5 mit den gleichen Zeichen und Bezugszeichen bezeichnet. Ein optischer Pfad eines ersten Pumpstrahls 2 ist mit einem Reflexionsspiegel 8 versehen, der mit einem piezoelek trischen Oszillator 7 montiert ist. Ein Spannungssignal einer Sägezahn wellenform wird zu dem piezoelektrischen Oszillator 7 eingegeben, um den Reflexionsspiegel 8 anzutreiben, und dann wird der erste Pumpstrahl 2 um eine Frequenz verschoben (Doppler-verschoben), die abhängig von der sägezahnförmigen Wellenform bestimmt ist.

In diese Vorrichtung werden Elektronen, die in Antwort auf die Intensi tätsverteilung der Interferenzlinien angeregt sind, die durch den ersten Pumpstrahl 2 und den Prüfstrahl 4 erzeugt sind, veranlaßt, mittels eines elektrischen Gleichspannungsfeldes zu driften, das an die Elektroden 1c und 1d des photo-nichtlinearen Mediums 1 angelegt ist. Diese Elek tronen bilden das Brechungsindex-Beugungsgitter in dem Kristall des photo-nichtlinearen Mediums 1 durch das elektrische Raumfeld und tragen zu einer Erzeugung der phasenkonjugierten Welle 5 bei. Wenn die Frequenz des ersten Pumpstrahls 2 durch den Reflexionsspiegel 8 leicht moduliert (Doppler-verschoben) wird, können die Interferenzlinien somit mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden.

Diese Interferenzlinien erfordern eine konstante Antwortzeit zwischen dem Moment des Beginnens ihrer Ausbildung in dem Kristall und dem Moment des Beginnens ihrer Erzeugung der Brechungsindex-Verteilung. In einer Anordnung eines photo-nichtlinearen Mediums Bi₁₂SiO₂₀ (im nachfolgenden einfach "BSO" genannt), reicht eine solche Antwortzeit beispielsweise von einigen 10 ms bis zu einigen 100 ms. Demgemäß ist, wenn die Interferenzlinien mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden, als Resultat eine Phasendifferenz erzeugt worden, weil die Interferenzlinien, die das Brechungsindex-Beugungsgitter gebildet haben, zu der Zeit bewegt wurden, so daß somit das Brechungsindex-Beugungs gitter aufgebaut worden ist. Eine Bewegungsgeschwindigkeit der Inter ferenzlinie wird in Abhängigkeit von dem Betrag der Modulation einer optischen Frequenz bestimmt. Daher kann eine optimale Phasendifferenz durch Verändern eines Ausmaßes der Modulation erhalten werden. Dies resultiert somit in einem Ansteigen eines Reflexionsfaktors der phasen konjugierten Welle.

Andererseits ist die Zeit, die zum Bilden des Brechungsindex-Beugungs gitters mittels der Interferenzlinien des photo-nichtlinearen Mediums erforderlich ist, eine grundsätzlich wichtige Eigenschaft der Sache zu sammen mit der Ladungsdichte, der Mobilität, des Diffusionskoeffizienten, der Störstellendichte, und der Donator-Akzeptor-Dichte des lichtbrechen den Kristalls. Beispielsweise ist zum Anwenden des photo-nichtlinearen Mediums auf das Echtzeit-Hologramm unter Verwendung des Vier-Wel len-Mischverfahrens und ähnlichem die Zeit, die zum Bilden des Bre chungsindex-Beugungsgitters erforderlich ist, ein äußerst signifikanter Parameter zum Bestimmen der Zeit, die für den Arbeitsprozeß des Echtzeit-Hologramms erforderlich ist, und der Geschwindigkeit der photo nichtlinearen Vorrichtung.

Herkömmlich ist die Zeit zum Ausbilden des Brechungsindex-Beugungs gitters durch ein Doppelbrechungsverfahren unter Verwendung eines Senaramonte-Verfahrens etc. gemessen worden. Eine derartige Messung erfordert jedoch eine bemerkenswert lange Zeit, weil das optische System kompliziert ist. Weiterhin kann das photo-nichtlineare Medium mit einer Isotropie, wie beispielsweise BSO eines kubischen Systems, nicht bei dem Doppelbrechungsverfahren angewandt werden, weil es keine Doppelbre chung hat, und somit ist ein Verfahren zum Messen der Zeit zum Ausbilden des Brechungsindex-Beugungsgitters noch nicht eingeführt worden.

Eine vorherrschende Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum allgemeinen, genauen und schnellen Messen der Zeit zum Ausbilden eines Brechungsindex-Beugungsgitters eines photo-nichtlinearen Mediums zu schaffen, das aus lichtbrechendem Kristall einschließlich dem Kristall eines kubischen Systems, wie beispielsweise BSO (Bi₁₂SiO₂₀), gebildet ist.

Ein erfinderisches Verfahren zum Messen der Zeit zum Ausbilden eines Brechungsindex-Beugungsgitters eines photo-nichtlinearen Mediums wird gemäß einem Verfahren zum Mischen von vier Wellen erreicht, wie es in Fig. 1 gezeigt ist. Das Verfahren zum Mischen von vier Wellen ist ein Verfahren, bei dem ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge λ, der von einer Laserstrahlquelle 10 emittiert wird, in einen ersten und einen zweiten Pumpstrahl 2 und 3 und einen Prüfstrahl 4 aufgeteilt wird; der erste und der zweite Pumpstrahl 2 und 3 fallen auf Lichteinfalls-Ober flächen 1a und 1b ein, und zwar von entgegengesetzten Richtungen auf dem gleichen optischen Pfad, wobei die Lichteinfalls-Oberflächen 1a und 1b an beiden Oberflächen einander gegenüberliegend an einem photo nichtlinearen Medium 1 ausgebildet sind; gleichzeitig und zusätzlich zu dem ersten Pumpstrahl 2 erzeugt der Prüfstrahl 4, der auf die Licht einfalls-Oberfläche 1a einfällt und einen Winkel R mit dem Pumpstrahl 2 bildet, Interferenzlinien in der Normalrichtung der Lichteinfalls-Ober fläche 1a, wodurch ein Brechungsindex-Beugungsgitter 6 gebildet wird. Eine phasenkonjugierte Welle 5 wird von dem photo-nichtlinearen Medi um 1 in einer Richtung emittiert, die entgegengesetzt zu einem optischen Einfallspfad des Prüfstrahls 4 ist, und zwar mittels eines Strahlens des zweiten Pumpstrahls 3 auf das Brechungsindex-Beugungsgitter 6.

Das erfinderische Verfahren zum Messen der Zeit zum Ausbilden eines Brechungsindex-Beugungsgitters eines photo-nichlinearen Mediums ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenvektor K der Interferenzlinien durch Einsetzen jedes Wertes der Wellenlänge λ und des Winkels 8 in die folgende Gleichung bestimmt ist:
K = (4π sin (R/2))/λ.

Ein elektrisches Gleichspannungsfeld wird an ein Paar externer Elek troden 1c und 1d angelegt, um mit dem Wellenvektor K der Interferenz linien koinzident zu sein, wobei das Paar externer Elektroden 1c und 1d an beiden gegenüberliegenden Oberflächen des photo-nichtlinearen Medi ums 1 vorgesehen ist, und zwar in einer Richtung orthogonal zu der Normalrichtung der Lichteinfalls-Oberflächen 1a und 1b; die Interferenzli nien werden durch Anlegen einer Frequenzmodulation an den ersten Pumpstrahl 2 unter Verwendung eines piezoelektrischen Oszillators 7 bewegt; eine Bewegungsgeschwindigkeit "v" der Interferenzlinien wird be stimmt, wenn eine Lichtintensität der phasenkonjugierten Welle 5 maxi miert ist; und eine Ausbildungszeit τ des Brechungsindex-Beugungsgitters 6 wird durch Einsetzen jedes Wertes des Wellenvektors K und einer Bewegungsgeschwindigkeit "v" der Interferenzlinien in die folgende Glei chung erhalten:
τ = 1/(K·v).

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegen den Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 ist eine illustrierende Ansicht einer Eigenschaftsmeßvorrichtung zum Messen eines photo-nichtlinearen Mediums unter Verwen dung einer Vier-Wellen-Mischvorrichtung eines Ausführungsbei spiels gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht des photo-nichtlinearen Medi ums;

Fig. 3 ist eine charakteristische Kurve einer Intensität eines abgelenk ten Strahls, relativ zu einer Bewegungsgeschwindigkeit der Inter ferenzlinien davon;

Fig. 4 ist eine charakteristische Kurve einer Intensität eines abgelenk ten Strahls, relativ zu einem Intensitätsverhältnis (E1/E3) eines Einfallslichts davon;

Fig. 5 ist eine illustrierende Ansicht eines Prinzips zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Welle durch ein lichtbrechendes Kristall einer Vier-Wellen-Mischvorrichtung;

Fig. 6 ist eine illustrierende Ansicht eines Verfahrens, bei dem ein Brechungsindex-Beugungsgitter aus Interferenzlinien ausgebildet ist, die in dem photo-nichtlinearen Medium davon erzeugt sind;

Fig. 7 ist eine illustrierende Ansicht eines Prinzips zum Erzeugen einer phasenkonjugierten Welle auf der Basis eines Bewegungs-Beu gungsgitterverfahrens der Vier-Wellen-Mischvorrichtung und

Fig. 8 ist ein Blockdiagramm einer Computeranordnung zum Ausführen bestimmter Berechnungen in Übereinstimmung mit der vorliegen den Erfindung.

Für ein photo-nichtlineares Medium gemäß der Erfindung kann Kristall mit einem Lichtbrechungseffekt genannt werden, wie beispielsweise LiNbO₃, LiTaO₃, BaTiO₃, Ba₂TNaNbO₁₅ oder BSO, BGO (Bi₁₂GeO₂₀), BTO (Bi₁₂TiO₂₀) und ähnliches.

Als Strahlversorgungsquelle für die Pumpstrahlen 2 und 3 und einen Prüfstrahl 4 kann eine Laserstrahlquelle 10 benutzt werden, wie beispiels weise ein Argon-Laser (Wellenlänge λ = 514,5 nm), ein Krypton-Laser (Wellenlänge λ = 568 nm, 647,1 nm), ein Rubin-Laser (Wellenlänge λ = 694,3 nm) oder ähnliches.

Ein Spannungssignal mit einer sägezahnförmigen Wellenform wird einem piezoelektrischen Oszillator 7 eingegeben, um einen Reflexionsspiegel 8 anzutreiben; danach wird ein erster Pumpstrahl 2 moduliert (Doppler verschoben), und zwar um eine Frequenz, die in Abhängigkeit von der Sägezahn-Wellenform bestimmt ist, und somit können die Interferenzlinien mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt werden. Eine Lichtintensi tät einer phasenkonjugierten Welle 5, die von einem Einfallslicht eines zweiten Pumpstrahls 3 erzeugt wird, wird durch einen Photointensitäts detektor 15 detektiert, um daraus eine Bewegungsgeschwindigkeit der Interferenzlinien zu erhalten, die eine maximale Lichtintensität erzeugen kann, und somit wird die Zeit bestimmt, die zum Ausbilden eines Bre chungsindex-Beugungsgitters 6 erforderlich ist.

Eine Bewegungsgeschwindigkeit vp des vorangehend erwähnten piezoelek trischen Oszillators genügt der folgenden Gleichung:

vp = x · f · V, (2)

wobei V und "f" jeweils eine Amplitude und eine Frequenz einer Span nung darstellen, die jeweils an den piezoelektrischen Oszillator angelegt ist, und "x" einen Versatzkoeffizienten darstellt. Die Gleichung einer Bewegungsgeschwindigkeit "v" der Interferenzlinien ist aufgebaut wie folgt:

v = vp cos Φ/(2 sin (/2)), (3)

wobei Φ einen Winkel darstellt, der durch ein Einfallslicht auf den Reflexionsspiegel mit einer Normalen gebildet wird, und der Winkel R theoretisch innerhalb eines Bereichs von 0 R 180° liegt. Ein Wel lenvektor K der Interferenzlinien wird durch die folgende Gleichung gebildet:

K = (4π sin (R/2))/λ, (4)

wobei R einen Winkel darstellt, der durch den Prüfstrahl und den ersten Pumpstrahl gebildet wird, und λ Wellenlängen jeweils des Prüfstrahls und des zweiten Pumpstrahls darstellt.

Andererseits haben die Bewegungsgeschwindigkeit "v" und der Wellenvek tor K jeder der Interferenzlinien und die Ausbildungszeit τ des Bre chungsindex-Beugungsgitters die folgende Beziehung:

K · v · τ = 1, (5)

weshalb die Ausbildungszeit τ des Brechungsindex-Beugungsgitters durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

τ = 1/(K · v). (6)

Eine optimale Bewegungsgeschwindigkeit der Interferenzlinien (Linienge schwindigkeit), die aus der Gleichung (3) erhalten wird, wird in "v" eingesetzt, und ein Wert, der aus der Gleichung (4) erhalten wird, wird in K eingesetzt, wonach die Ausbildungszeit τ des Brechungsindex-Beu gungsgitters erhalten werden kann.

Beispiel

Ein Beispiel gemäß der Erfindung wird nun im Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben werden.

In den Fig. 1 und 2 sind die gleichen oder entsprechenden Teile der Fig. 7 durch die gleichen Zeichen oder Bezugszeichen bezeichnet. Eine Laserstrahlquelle 10 ist ein Argon-Laser mit einer Wellenlänge λ von 514,5 nm, der kontinuierlich oszillieren kann. Das photo-nichtlineare Medium 1 ist kubisch geformtes BSO (Bi₁₂SiO₂₀), bei dem jede Seite 1 cm beträgt. Wie es in Fig. 2 gezeigt ist, sind externe Elektroden 1a und 1b durch Auftragen einer in Wärme aushärtenden Ag-Paste an beide Oberflächen gebildet, die Miller-Indizes (110) bei einem kubischen System aufweisen. Oberflächen (110) sind mit Einfalls-Oberflächen 1a und 1b versehen. Bezugszeichen 11, 12 und 13 bezeichnen Strahlteiler, 14 einen Reflexionsspiegel, und 15 einen Photointensitätsdetektor zum Detektieren einer Photointensität der phasenkonjugierten Welle 5, die von dem photo-nichtlinearen Medium 1 emittiert wird. Der Reflexions spiegel 8, der mit dem piezoelektrischen Oszillator 7 versehen ist, ist in der Zeichnung illustrativ schräg plaziert, aber bei einem tatsächlichen Betrieb ist der Reflexionsspiegel 8 mit einer reflektierenden Oberfläche angeordnet, die in einer horizontalen Position plaziert ist, um einen stabilen Betrieb in bezug auf den Reflexionsspiegel 8 zu haben. Ein Sägezahn-Spannungssignal wird an den piezoelektrischen Oszillator 7 von einem Oszillator 16 angelegt, ein elektrisches Gleichspannungsfeld von 5 kV/cm wird an die externen Elektroden 1c und 1d des photo-nichtlinea ren Mediums 1 angelegt, um mit einem Wellenvektor K der Interferenz linien koinzident zu sein.

Ein Licht, das von der Laserstrahlquelle 10 angestrahlt wird, fällt auf die Einfalls-Oberfläche 1a als ein Pumpstrahl 2 ein, und zwar über den Strahlteiler 12 und den Reflexionsspiegel 8. Weiterhin fällt das von der Laserstrahlquelle 10 abgestrahlte Licht auf die Einfalls-Oberfläche 1b als ein Pumpstrahl 3 ein, und zwar über den Reflexionsspiegel 14. Die Pumpstrahlen 2 und 3 fallen auf die Lichteinfalls-Oberflächen 1a und 1b ein, und bewegen sich auf dem gleichen optischen Pfad, aber jeweils von den entgegengesetzten Richtungen aus. Weiterhin fällt das von der Laserstrahlquelle 10 abgestrahlte Licht auf die Einfalls-Oberfläche 1a als ein Prüfstrahl 4 ein, und zwar über die Strahlteiler 11 und 13. Ein Winkel von R, der durch den Pumpstrahl 2 und den Prüfstrahl 4 gebil det wird, ist auf 5 Grad eingestellt.

Jedem von dem ersten Pumpstrahl 2 und dem zweiten Pumpstrahl 3 wird erlaubt, einen optischen Pfad mit einer Länge zu haben, die ein ander gleich sind, aber dem Prüfstrahl 4 wird erlaubt, einen optischen Pfad mit einer Länge zu haben, die unterschiedlich von der der vor angehenden zwei optischen Pfade ist; auf diese Art, durch Benutzen, daß eine Entfernung, die eine Interferenz des Argon-Lasers bilden kann, kurz ist (etwa 10 cm), gelangen nur der erste Pumpstrahl 2 und der Prüf strahl 4 in Interferenz zueinander. Ein abgelenkter Strahl 5, der von dem Pumpstrahl 3 durch das Brechungsindex-Beugungsgitter 6 abgelenkt wird, läuft in der umgekehrten Richtung auf einen optischen Einfallspfad des Prüfstrahls 4, und zwar als phasenkonjugierte Welle. In diesem Beispiel ist die Gleichung eines Lichtintensitätsverhältnisses wie folgt:

E₁ : E₂ : E₃ = 2 : 1 : 1,

wobei E₁, E₂ und E₃ jeweils Lichtintensitäten des ersten Pumpstrahls 2, des zweiten Pumpstrahls 3 und des Prüfstrahls 4 darstellt. Eine Lei stungsdichte vor einem Einfall auf das photo-nichtlineare Medium 1 des Pumpstrahls 2 ist gleich 11,8 mW/cm².

In einer Vier-Wellen-Mischvorrichtung mit einer Konstruktion, wie es oben beschrieben ist, ist eine Anstiegszeit einer Sägezahnspannung, die an den piezoelektrischen Oszillator 7 angelegt ist, ausreichend länger eingestellt als die Ausbildungszeit des Brechungsindex-Beugungsgitters des photo-nichtlinearen Mediums 1, und eine Abfallzeit der gleichen ist ausreichend kürzer als die Ausbildungszeit des vorangehend genannten Brechungsindex-Beugungsgitters eingestellt. Der Reflexionsspiegel 8 wird proportional zu der Sägezahnspannung versetzt, um eine Frequenzmodula tion an den ersten Pumpstrahl 2 anzulegen. Somit bewegen sich die Interferenzlinien innerhalb des photo-nichtlinearen Mediums 1 mit einer konstanten Geschwindigkeit. Der abgelenkte Strahl 5 ändert seine Intensität in Abhängigkeit von einer Bewegungsgeschwindigkeit der Inter ferenzlinien.

Fig. 3 stellt ein Meßergebnis einer Intensität des abgelenkten Strahls relativ zu einer Bewegungsgeschwindigkeit der Interferenzlinien dar. Wie es aus Fig. 3 ersichtlich ist, ist eine Bewegungsgeschwindigkeit der Inter ferenzlinien "v", die eine Intensität des abgelenkten Strahls maximiert, gleich 16 µm/sec.

Die algebraischen Zahlen λ und R in der Gleichung (4) werden jeweils durch 514,5 nm und durch 5 Grad ersetzt, wonach ein Wellenvektor K etwa 1·10⁶ (1/m) ist. Dieses K und v = 16 µm/sec werden in die Gleichung (6) eingesetzt, wonach die Ausbildungszeit τ des Brechungs index-Beugungsgitters als 60 ms erhalten wird.

Bei dem Intensitätsverhältnis des Einfallslichts als E₁:E₂:E₃ = 2:1:1 (E₁/E₃ = 2), ist nur E₃ des Prüfstrahls abgeschwächt, um etwa E₁/E₃ = 200 zu erzeugen; danach wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, die Inten sität des abgelenkten Strahls bemerkenswert von 1 auf 2% (A-Punkt) auf 65% (B-Punkt) erhöht, wonach das Reflexionsvermögen 30 bis 60 mal so hoch erhalten wird als zuerst.

Fig. 8 stellt in Blockform ein allgemeines Beispiel zum Durchführen der notwendigen Berechnungen der vorliegenden Erfindung durch einen geeignet programmierten Computer CPU 17 dar. Die notwendigen Parameter zum Bestimmen der Bewegungsgeschwindigkeit "v" der Inter ferenzlinien werden der CPU 17 geboten, d. h. von einem Verstärker 18, von dem photo-nichtlinearen Medium 1 und von dem Photointensitäts detektor 15. Auch eine Wellenlänge λ und ein Winkel R werden der CPU 17 zugeführt, um einen Wellenvektor K zu berechnen, der in einem Speicher gespeichert wird. Aus "v" und "K" wird die Ausbildungs zeit T berechnet und gespeichert.

Die Werte der Wellenlänge (λ) und des Winkels (R) können mittels einer manuellen Operation oder als programmierte Computerdaten eingegeben werden. Der Wert der Bewegungsgeschwindigkeit (v) der Interferenzlinien können, wenn eine Lichtintensität der phasenkonjugierten Welle maximiert ist, aus den Computerdaten gemäß den angelegten Spannungen des photo-nichtlinearen Mediums 1 und des piezoelektrischen Oszillators 7 und dem Ausgang des Photointensitätsdetektors 15 bestimmt werden. Der Verstärker 18 wird durch die CPU gesteuert, um die Interferenzlinien innerhalb des photo-nichtlinearen Mediums mit einer konstanten Geschwindigkeit zu bewegen.

Wie es hierin zuvor vollständig beschrieben ist, kann, ungleich zu dem herkömmlichen Beispiel, bei dem die Ausbildungszeit des Brechungsindex- Beugungsgitters durch ein statisches Doppelbrechungsverfahren gemessen worden ist, gemäß der Erfindung die Zeit, die zum Ausbilden des Brechungsindex-Beugungsgitters erforderlich ist, allgemein genau und schnell gemessen werden, und zwar aus einer optimalen Bewegungsge schwindigkeit der Interferenzlinien, die die maximale Intensität mittels eines Bewegens der Interferenzlinien in dem Kristall mit einer optimalen Geschwindigkeit durch Modulieren zu einem gewissen Ausmaß einer Frequenz des ersten Pumpstrahls unter Verwendung des Reflexionsspie gels mit dem piezoelektrischen Oszillator erhalten können.

Gemäß der Erfindung kann eine Messung auch für die Ausbildungszeit des Brechungsindex-Beugungsgitters des photo-nichtlinearen Mediums eines kubischen Systems verfügbar sein, was bei dem herkömmlichen Doppel brechungsverfahren nicht verfügbar gewesen ist.

Die Ausbildungszeit des Brechungsindex-Beugungsgitters für alle Arten der photo-nichtlinearen Medien kann durch optionales Verwenden von Werten einer Amplitude und einer Frequenz der Sägezahnspannung gemessen werden, die an den piezoelektrischen Oszillator angelegt ist Während die vorangehende Beschreibung und die Zeichnung die bevor zugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen, wird es den Fachleuten klar sein, daß verschiedene Abänderungen und Modifi kationen dabei gemacht werden können, ohne von dem wahren Inhalt und dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Zeit zum Ausbilden eines Brechungs index-Beugungsgitters eines photo-nichtlinearen Mediums unter Ver wendung eines Verfahrens zum Mischen von vier Wellen, einschließ lich der Schritte:
Aufteilen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge (λ), der von einer Laserstrahlquelle emittiert wird, in einen ersten und einen zweiten Pumpstrahl und einen Prüfstrahl;
Zulassen, daß der erste und der zweite Pumpstrahl entsprechend auf eine erste und eine zweite Lichteinfalls-Oberfläche einfallen, und zwar von entgegengesetzten Richtungen auf dem gleichen optischen Pfad, wobei die erste und die zweite Lichteinfalls-Oberfläche gegen überliegende Oberflächen sind, die an einem photo-nichtlinearen Medium ausgebildet sind;
zusätzlich zu dem ersten Pumpstrahl Zulassen, daß der Prüfstrahl auf die erste Lichteinfalls-Oberfläche einfällt, unter Bildung eines Win kels (R) mit dem Pumpstrahl, um Interferenzlinien in der Normal richtung der ersten Lichteinfalls-Oberfläche zu erzeugen, um dadurch ein Brechungsindex-Beugungsgitter auszubilden; und
Emittieren einer phasenkonjugierten Welle aus dem photo-nichtlinea ren Medium in einer Richtung, umgekehrt zu einem optischen Einfallspfad des Prüfstrahls mittels Strahlens des zweiten Pumpstrahls auf das Brechungsindex-Beugungsgitter, wobei die Verbesserung die Schritte umfaßt:
Bestimmen eines Wellenvektors (K) der Interferenzlinien aus jedem Wert der Wellenlänge (λ) und des Winkels (R) durch die folgende Beziehung: K = (4π sin (R/2))/λ;Anlegen eines elektrischen Gleichspannungsfelds an ein Paar externer Elektroden, um mit dem Wellenvektor (K) der Interferenzlinien koinzident zu sein, wobei das Paar der externen Elektroden an gegenüberliegenden Oberflächen des photo-nichtlinearen Mediums in einer Richtung ortogonal zu der Normalrichtung der ersten und der zweiten Lichteinfalls-Oberfläche vorgesehen ist;
Bewegen der Interferenzlinien durch Anlegen einer Frequenzmodula tion an den ersten Pumpstrahl unter Verwendung eines piezoelek trischen Oszillators;
Bestimmen einer Bewegungsgeschwindigkeit (v) der Interferenzlinien, wenn eine Lichtintensität der phasenkonjugierten Welle maximiert ist; und
Bestimmen einer Ausbildungszeit (τ) des Brechungsindex-Beugungs gitters aus jedem Wert des Wellenvektors (K) und einer Bewegungs geschwindigkeit (v) der Interferenzlinien durch die folgende Bezie hung:τ = 1/(K·v).

2. Gerät zum Messen der Zeit zum Ausbilden eines Brechungsindex- Beugungsgitters eines photo-nichtlinearen Mediums durch Mischen von vier Wellen, wobei das Gerät eine Einrichtung zum Aufteilen eines Laserstrahls mit einer Wellenlänge (λ) aufweist, der von einer Laserstrahlquelle emittiert ist, in einen ersten und einen zweiten Pumpstrahl und einen Prüfstrahl, eine Einrichtung zum Ausrichten des ersten und des zweiten Pumpstrahls, um auf eine erste und eine zweite Lichteinfalls-Oberfläche des photo-nichtlinearen Mediums von entgegengesetzten Richtungen auf dem gleichen optischen Pfad einzufallen, wobei die erste und die zweite Lichteinfalls-Oberfläche gegenüberliegende Oberflächen des Mediums sind; eine Einrichtung zum Ausrichten des Prüfstrahls, um auf die erste Lichteinfalls-Ober fläche einzufallen, um einen Winkel (R) mit dem Pumpstrahl zu bilden, um Interferenzlinien in der Normalrichtung der ersten Licht einfalls-Oberfläche zu erzeugen, wodurch ein Brechungsindex-Beu gungsgitter ausgebildet wird; wobei das photo-nichtlineare Medium eine phasenkonjugierte Welle in einer Richtung emittiert, die ent gegengesetzt zu dem optischen Einfallspfad des Prüfstrahls ist, durch Strahlen des zweiten Pumpstrahls auf das Brechungsindex-Beugungs gitter, wobei die Verbesserung umfaßt:
eine Einrichtung zum Bestimmen eines Wellenvektors (K) aus jedem Wert der Wellenlänge (λ) und dem Winkel (R) durch die folgende Beziehung: K = (4π sin (R/2))/λ;eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Gleichspannungsfeld an ein Paar externer Elektroden, um mit dem Wellenvektor (K) der Interferenzringe bzw. -linien koinzident zu sein, wobei die externen Elektroden an sich gegenüberliegenden Oberflächen des photo-nicht linearen Mediums in einer Richtung ortogonal zu der Normalrich tung der ersten und der zweiten Lichteinfalls-Oberfläche vorgesehen sind;
eine Einrichtung zum Bewegen der Interferenzlinien, wobei die Einrichtung eine Frequenzmodulation an den ersten Pumpstrahl anlegt;
eine Einrichtung zum Bestimmen einer Bewegungsgeschwindigkeit (v) der Interferenzlinien, wenn eine Lichtintensität der konjugierten Welle maximiert ist; und
eine Einrichtung zum Bestimmen einer Ausbildungszeit (τ) des Brechungsindex-Beugungsgitters aus jedem Wert des Wellenvektors (K) und einer Bewegungsgeschwindigkeit (v) der Interferenzlinien durch die folgende Beziehung:
τ = 1/(K·v).

3. Gerät nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Bewegen der Interferenzlinien einen piezoelektrischen Oszillator zum Anlegen einer Frequenzmodulation an den ersten Pumpstrahl durch Bewegen eines reflektierenden Spiegels in dem Pfad des Strahls enthält.

4. Gerät nach Anspruch 3, wobei eine Sägezahnspannung an den piezoelektrischen Oszillator angelegt wird, die eine Anstiegszeit aufweist, die länger als die Ausbildungszeit des Brechungsindex- Beugungsgitters ist, und eine Abfallszeit, die kürzer als die Aus bildungszeit des Brechungsindex-Beugungsgitters ist.

5. Gerät nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Bewegen der Interferenzlinien die Linien mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt.