JPH03501299A - 強度の制御可能な位相共役ビームを得るための光バルブシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 強度の制御可能な位相共役ビームを得るための本発明は光ビーム伝送系に関する 。特に、本発明はこのようなシステムにおいて使用される電子・光バルブに関す る。

本発明はここでは特定の適用を説明する実施例を参照して記載されているが、本 発明はそれに限定されるものではないことを理解しなければならない。当業者は 本発明の技術的範囲および非常に有効な付加的分野内の付加的に修正、適用およ び態様を認識するであろう。

関連技術の説明 多数の通常の光学系において、伝送されたビームの位相の収差は歪んだ媒体を通 って伝播する間に生じる。これらの位相収差を補償する際に使用される１つの方 法は、乱れた光ビームの位相共役レプリカに歪んだ媒体を通過させて元に戻すこ とである。光ビームの位相共役レプリカは元のビームの複素共役振幅に等しい複 素空間振幅を有する。歪んだ媒体の横断に続いて、乱れた光ビームの位相共役レ プリカは元の光ビームの比較的変化されていない形態に変換される。

ある通常の光位相共役技術は、閉ループ動作で結晶上に波頭センサから得られた 空間的な位相変調を刻印するために波頭センサと位相共役結晶の組合せを使用す る。弱い信号に対する低い感度はある適用においてこの技術の効率を制限する。

とくに、位相共役結晶は典型的に適切な位相共役を得るために１ｃｔｌ当りほぼ 数ワット乃至数十ワットで入射する信号を必要とする。この要求は、このような 位相共役結晶が例えばある高感応性画像システム中に含まれることを妨げる。

最近、液晶光バルブ（ＬＣＬＶ）はまた光信号の位相共役に使用されている。（ Ｇ　ａｒｉｂｙａｎ氏他による“ＯｐｔｉｃａｌＰｈａｓｅ　Ｃｏｎｊｕｇａｔ ｉｏｎ　ｂｙ　Ｍｉｃｒｏｖａｔｔ　Ｐｏｗｅｒ　ｏｆ’Ｒｅｆｅｒａｎｃｅ　 Ｗａｖｅｓ　ｖｉｒ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　ＬｉｇｈｔＶａｌｖｅ　 ’　、　０ｐＬｉｃｓ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　、　Ｖｏｌ、　３８． 　ｎｏ、ｌ。

１９８１年７月、並びにＥ、　ＭａｒＯｎ氏およびＵ、Ｅｆｒｏｎ氏による“Ｐ 　ｈａｓｅ　Ｃｏｎｊｕｇａｔｉｏｎ　ｏｒ　Ｌ　ｏｖ　−Ｐ　ｏｖｅｒ　Ｏｐ ｔｉｃａｌＢｅａｍｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｌｉｑｕｉｄ　−Ｃｒｙｓｔａｌ　Ｌｉｇ ｈｔ　Ｖａｌｖｅｓ　”　。

０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　１２．５０４　、１９８７年７月 を参照。）低強度の信号に対するこれらのＬＣＬＶの感度はＧ　ａｒ１ｂｙａｎ 氏によって典型的に位相共役結晶が呈する対応した感度よりも高い大きさである ことが示されている。

Ｇ　ａｒｉｂｙａｎ氏により示された光バルブシステム内において、“光感応性 半導体層および液晶層は誘電反射鏡によって分離されている。電圧は外部から光 感応性半導体と液晶層との間に供給される。以下の説明において、光感応性半導 体層は“光導電体”と呼ばれる。基準ビームおよび信号ビームは誘電反射鏡に入 射し、各部分が光導電体に伝送される。各ビームの残りの部分は液晶層を通して 反射される。干渉パターンは基準ビームおよび信号ビームの伝送された部分の相 互作用によって光導電体付近に形成される。良く知られているように、この干渉 パターンは続いて光導電体のインピーダンスにおける空間的変化を誘導する。さ らに、液晶および光導電体は実効的に直列に電気接続され、これらのインピーダ ンス変化は液晶を横断する電圧降下における空間的変化として反映される。この ようにして、干渉パターンは液晶層上に刻印される。

液晶層は、供給された電圧に応答して伝播している光エネルギの位相を変調する 。結果として、液晶層を通して反射された基準ビームの部分は干渉パターンによ って誘導された電圧降下における空間的変化に応答して変調される。液晶層の縦 軸に関する基準ビームの特定の幾何学的配向は、反射された基準ビームの部分に 元の信号ビームの位相共役変化を与える。

Ｇａｒｉｂｙａｎ氏により示されたシステムは低い強度の信号に感応するが、位 相共役信号の大きさは光導電体の飽和レベルによって制限される。特に、誘電反 射鏡を透過し光導電体を照明する基準ビームの比率は、特定の誘電反射鏡が選択 されると固定される。したがって、基準ビームの大きさは光導電体を飽和させず にあるレベルより上に増加されなくてもよく、それによって干渉パターンをなく すものである。

位相共役信号の大きさは基準ビームの反射された部分の大きさに比例するので、 基準ビームの強度に関する制限が効果的に共役信号の最大強度を決定する。さら に、誘電反射鏡の反射率を増加することは許容基準ビーム強度を高めるが、弱い 信号ビームに対するシステムの感度は対応的に低下する。

Ｇ　ａｒｉｂｙａｎ氏によって提案されたシステムの比較的弱い強度の位相共役 ビームは、分離した増幅素子が使用されない場合にこのシステムの種々の適用へ の使用を制限する。しかしながら、増幅素子の内蔵は、共役信号の再映像が典型 的に要求されるためにシステム全体の設計を複雑にすることが多い。

したがって、潜在的に低い強度の光ビームの増幅された位相共役レプリカを生成 する光バルブシステムが技術的に必要潜在的に低い強度の光ビームの増幅された 位相共役レプリカを生成する技術的必要性は、本発明の光バルブシステムによっ て達成される。本発明の光バルブシステムは、第１および第２の偏光状態の第１ および第２の成分をそれぞれ有するコヒーレントな基準ビームを生成する手段を 含む。さらに、第１の偏光状態のコヒーレントな信号ビームを生成する手段が含 まれている。光バルブ手段は、信号ビームに応答して基準ビームの第２の成分を 位相共役化するものである。

図面の簡単な説明 第１図は本発明の先バルブシステムの概略図である。

第２図は本発明のシステム内に含まれる改善された光バルブの好ましい態様の側 断面図である。

第３ａ図は、改善された光バルブにおいて使用されるワイヤグリッド反射鏡の正 面図である。

第３ｂ図はワイヤグリッド反射鏡の正面図であり、光反射ワイヤは等しく間隔を 付けられたラインセグメントを含んでいる。

第４図は改善された光バルブの側断面図であり、ビームＳ１．Ｓ、”、Ｒ，およ びＲ２のワイヤグリッド反射鏡および液晶層の縦軸に関する偏光を示す。

発明の詳細な説明 第１図は本発明の光バルブシステム１０の概略図である。本発明のシステム】０ は信号ビームソース１５、基準ビームソース１７、改善された光バルブ２０およ び液晶位相減速プレート６５を含む。ソース１５は、第１の方向に直線的に偏光 され位相収差媒体４０に入射する信号ビームＳを発生する。第１図に示されたシ ステム１０の動作環境内において、位相収差媒体４０はそれを通過する光ビーム の位相を歪ませる。したがって、信号ビームＳの位相収差変化Ｓ、は媒体４０か ら現れ、光バルブ２０に入射する。

基準ビームソース１７は、信号ビームＳとコヒーレントでありそれと同じ波長の 基準ビームＲを生成する。基準ビームＲは強いＲ２および弱いＲ，直線偏光成分 を含み、光バルブ２０に入射する。基準ビームＲの弱い成分Ｒ１は第１の方向に 偏光され、一方強い成分Ｒ２は第１の方向に直角の第２の方向に偏光される。ビ ームＲ２の偏光方向は、光バルブ２０がその位相を変調することができるように 配向される。直交するように偏光された基準ビームＲの強いＲ２および弱いＲ２ 成分の相対的な大きさは、液晶位相減速プレート６５によって通常の方法で制御 されることができる。このような制御はプレート６５に供給される電圧の調節ま たはビーム６０に関する位相減速プレート６５の回転のいずれかにより行われる 。

以下にさらに詳細に示されるように、干渉パターンは位相収差ビームＳ、と組合 せられた基準ビームＲの弱い成分Ｒ１によって光バルブ２０内に形成される。基 準ビームＲの強い成分Ｒ２は、位相収差ビームＳ１の位相共役レプリカ８１″を 生成するためにこの干渉パターンによって位相変調される。

位相共役ビームＳ、１＋が位相収差媒体４０を通過した場合、それは信号ビーム Ｓの位相共役に等しい位相を有する補償されたビームＳ′に変換される。このよ うにして、本発明のシステム１０は媒体４０によって信号ビームＳに導入された 位相の歪みを修正する。ビームＳ、ＩＩの大きさは位相プレートＢ５の調節を介 してビームＲの強い成分Ｒ２を強めることによって増加されることができるため 、本発明の光バルブシステム１０は制御可能な光学的利得と共に位相共役を生成 する。

第２図は、本発明のシステム１０内に含まれた改善された光りバルブ２０のさら に詳細な断面図である。同一平面で平行の光バルブ２０は液晶層２２、光導電層 ２６およびそれらに挟まれたワイヤグリッド反射鏡２４を含む。層２２および層 ２６は第１の電極２７と第２の電極２９との間に挟まれている。第１の電極２７ は標準的な構造であり、一方第２の電極２９は光学的に透明である。さらに、電 極２７および２９は電源２８に接続されている。さらに電極２７および２９は通 常の方法により光導電層２６および液晶層２２に結合されている。光導電層２６ は典型的にシリコンのような光感応性の（光学的に応答する）半導体から構成さ れている。液晶層２２はネマチック液晶から構成されている。

第２図はまたワイヤグリッド反射鏡２４の断面図を示す。反射鏡２４は、縦軸と 甲行に配向され等しく間隔を付けられたワイヤ２３の平坦なアレイを含む。第３ ａ図は、反射鏡２４内に含まれている同一・ｒｉ面で平行に整列されたワイヤ２ ３の正面図を示す。反射鏡２４は実質的にこの縦軸と平行に偏光された光エネル ギを全て反射し、軸に直交するように偏光された光エネルギを通す。反射鏡２４ 内のワイヤ２３の間隔ｄは通過／反射される光エネルギの波長よりも小さいよう に選択される。さらに入射したビーム（画像）の分解能を高めるために、ある場 合にはワイヤ２３に沿った期間的な間隔を含むことが有効である。第３ｂ図は、 ワイヤ２３が複数の均一に間隔を付けられたラインセグメントを含む反射鏡２４ の別の実施例を示す。好ましい実施例において、ワイヤ２３は光導電層２６上に 付着させられたアルミニウム、銅、金または銀のような導電材料から構成された サブミクロンワイヤグリッド構造を含む。この付着は、Ｇａｒｖｉｎ氏他により 米国特許第４．２８９，３８１号明細書に示されるようなホログラム露出技術を 使用してパターン化される。

第２図に示されているように、基準ビームＲは典型的に液晶層に直角に入射する 均一な平面波であるように選択される。

基準ビーム成分Ｒ２は空間依存的な大きさおよび光バルブ２０内に形成された干 渉パターンの位相のいずれにも影響しない。

これは結果的に以下に与えられる形の強度を有する干渉パターンとなる（Ｅ、　 Ｍａｒｏ１１氏およびＵ、Ｅｆｒｏｎ氏による文献（“Ｐ　ｈａｓｅ　Ｃｏｎｊ ｕｇａＬｉｏｎ　ｏｆ’　Ｌ　ｏｖ　−Ｐ　ｏｗｅｒ　ＯｐｔｆｃａｌＢｅａｍ ｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　ＬｉｇｈＬ　Ｖａｌｖｅｓ　 ”　。

１　（Ｘ）−［Ｅ］　２−Ｅ、（Ｘ）　２＋Ｅ、（Ｘ）　２＋２Ｅ、（Ｘ）Ｅ、 （Ｘ）ｃｏｓ［αＸ十ｇ　（Ｘ）コ［１］ ここで、 Ｅ、（Ｘ）−Ｅ、は均一の基準ビーム６０の弱い成分（Ｒ１）の電界である。

Ｅ、（Ｘ）−Ｅ、ｃｘｐ［ｉ　（αＸ十ｇ　（Ｘ））］は“α”ラジアン／ｃｍ の角フィールド勾配および空間的位相変化ｇ（Ｘ）を有するビーム５０（Ｓｌ） の電界である。

上記の式［１コにおいて、干渉パターンの平面はｚ−０平面として得られ、ｙ依 存は省略される。上記のＩ　（Ｘ）に関する式中の第３番目の項は、干渉パター ンの強度の空間変化が収差信号ビームの位相における変化のためだけによること を示す。以下に示されているように、干渉パターンの強度におけるこの空間変化 は液晶層２２の位相変調特性に対応した空間依存性を導入する。

上記のように、基準ビームＲの弱い成分Ｒ１および位相収差ビームＳ１は同一（ 第１の）方向に偏光され、一方基準ビームＲの強い成分Ｒ２はこの第１の方向に 関して直交するように偏光される。光バルブ２０の通常の動作において、この第 １の方向は反射鏡２４の縦（反射）軸に垂直である。したがって、光学的に透明 な電極２９および液晶層２２を透過した後、基準ビームＲの弱い成分Ｒ３および 位相収差ビームＳ、は反射鏡２４によって光導電層２６に通過させられる。同様 に、基準ビームＲの強い成分Ｒ２は反射鏡２４によって反射される。ビームＳ１ とＲとの相対的な配向は、基準ビームＲの弱い成分Ｒ３とビームＳ、が反射鏡２ ４と光導電層２６の境界２５の近くで交差するように調節される。交差すると、 基準ビームＲの弱い成分Ｒ７およびビームＳ１は光導電層２６によって感知され る干渉パターンを形成する。

技術的に知られているように、光導電層２６はインピーダンスにおける空間変化 を通じてビームＳ１およびＲ１の干渉パターンに応答する。特に、この干渉パタ ーンの光強度における変化は層２Ｂのインピーダンスに対応した変化を誘起する 。

第２図に示されているように、電圧は層２６にわたって部分的に降下される電源 ２８によって供給される。したがって、光導電層２６のインピーダンスにおける 空間変化は層２６を横切る電圧降下の大きさにおける対応した空間変化となる。

第２図に示されているように、液晶層２２は実効的に電源２８に関して光導電層 ２６と直列接続されている。したがって、干渉パターンによって誘起される光導 電層２６にわたる電圧降下の空間変化は、液晶層２２を横切る電圧効果の対応し た空間変化として反映される。低い活性電圧に関して、液晶の屈折率変化は供給 電圧に直線的に比例する（例えば、Ｕ、Ｅｌ’ｒｏｎ氏他によるＪ、　Ｏｐｔ、 　Ｓｏｃ、　Ａｍ、Ｂ、　３．２４７　（１９８Ｂ）を参照）。さらに、液晶層 ２２の屈折率は液晶層２２を横断する光エネルギの位相遅延に比例することが技 術的に知られている。

したがって、基準ビームＲの強い成分Ｒ２は、基準ビームＲの弱い成分Ｒ１およ び位相収差信号ビームＳによって形成された干渉パターンに応答して液晶層２２ を通って伝播している間中に位相変調される。このようにして、基準ビームＲの 強い成分Ｒ２はビームＳ１に応答して液晶層上に書込まれた干渉パターンを読取 る。

液晶層２２に含まれる分子の縦軸の入射した光エネルギの偏光に関する配向は位 相変調に影響を与えることが技術的に知られている。特に、基準ビームＲの強い 成分Ｒ２の偏光方向が液晶層２２内の分子の縦軸と整列された場合、光バルブ２ ０はビームＳ、の位相共役レプリカＳ、１１を発生する。この整列過程は通常５ ｉｎ２の浅いおよび中間の角度付着を使用することによって達成されることがで きる。さらに、光学位相共役を得るために必要な液晶層２２の特定の組成もまた 当業者に技術的に知られている。例えば、Ｍａｒｏｍ氏およびＥｆｒｏｎ氏によ る文献（Ｏｐｔｊｃｓ　Ｌ　ｅｔｈｅｒｓ、　１９８７年７月）には４μｍの厚 さのネマチック液晶層（Ｅ−７，ＢＤＨ）が６３２．８　μｍの波長を有する光 エネルギの位相共役に使用されたことを示されている。第４図はビームＲ，，Ｒ ２，Ｓ、およびＳ、″の反射鏡ワイヤ２３および液晶層２２の縦軸に関する偏光 を示す光バルブ２０の拡大された側の断面図を示す。

上記から明らかなように、位相収差信号ビームＳ１の偏光は位相共役上に保存さ れない。すなわち、第４図を参照して位相共役レプリカＳ％の偏光は位相収差信 号ビームＳ１の偏光から９０°回転される。しかしながら、偏光保存は多数の適 用（例えば、連想メモリまたは大気補償）において不要である。しかしながら、 第１図を参照すると、偏光保存は補償されたビームＳ゛または位相共役レプリカ ビームＳ１８のいずれかのバスに１／２波長プレートを配置することにより達成 されることができる。上記の１／２波長プレートか第１図の実施例で構成された 場合、ビームＳ１８およびＳ゛の光路はビームＳおよびビームＳＩが共に１／２ 波長プレートを通過しないように当業者に知られている技術によって変化されな ければならない。

上記の論議から、本発明のシステム１０内に含まれた光バルブ２０の主要な利点 の１つは独立的に干渉パターンおよびビームＳ１の位相共役レプリカ８１″の強 度を制御する能力であることは明白である。すなわち、基準ビームの第１および 第２の成分Ｒ１およびＲ２の大きさは液晶層２２上に入射された干渉パターンを 書込み、読出すために位相プレート６５を使用して別々に最適化されることがで きる。この独立した制御は、別々に干渉パターンの大きさを最適化し、位相共役 レプリカＳ、１１の振幅を最大にすることによって光学的利得を有する位相共役 を生成する。例えば、ビームＳ１が比較的低い強度ならば、ビームＲ２の大きさ は干渉パターンに対するビームＳ、の影響をマスクしないように減少されてもよ い。同様に、比較的大きい大きさの位相共役レプリカＳ、ｔが所望された場合に は、反射鏡２４の反射特性はレプリカＳ、＋１を発生する際に使用される基準ビ ームＲの強い成分の強度が光導電層２６を飽和させずに増加されることを可能に する。したがって、本発明は位相共役に制御可能な光学利得を与えることによっ て通常の光位相共役システム（例えば、上記のＧ　ａｒｉ　ｂｙａｎ氏のシステ ム）を改筈するものである。

位相減速プレート６５は、ビームＳ１をサンプルすることによって基準ビームＲ の弱い成分Ｒ１の大きさの実時間調節を行うために使用されてもよい。特に、ビ ームＳ１の強度は光センサ（示されていない）にビームＳ、の小部分を向けるこ とによって測定される。光センサによって発生された信号は位相減速プレート６ ５を制御し、それによってビームＲ１の大きさを調節するために使用される。こ のようにして、干渉パターンの強度はビームＳ、の影響力をマスクせずに最大化 される。本発明のこの特徴は、ビームＳ、の強度が広範囲にわたって時間の関数 として変化する場合に基準ビームＲの弱い成分Ｒ１の大きさを最適化する際にか なり有効である。この好ましい実施例において、位相飽和プレート６５はＢａｂ ｉｎｅｔ−８ｏｌｅｉ　ｌ補償装置のような電圧制御された液晶位相プレートで ある。

このようにして、本発明は特定の適用と関連した特定の実施例を参照して記載さ れている。当業者は本発明の技術的範囲内において付加的な修正および適用を認 めるであろう。例えば、液晶層２２の配向は位相共役とは異なる変調スキムを行 うために変更されてもよい。同様に、本発明はここに記載された反射鏡２４の特 定の実施例に限定されるものではない。当業者は、本発明の別の実施例に適した 異なる偏光状態の光エネルギを透過／反射するためのその他の装置を認識するで あろう。さらに、異なる偏光状態の２つの各々同時的な基準ビームは本発明の技 術的範囲を逸脱することなく基準ビームＲと置換されることができる。したがっ て、このような修正は全て添付された請求の範囲の各請求項によってカバーされ る。

国際調査報告 １’ｌｌ＃ＴＡＩ＋１１ＭＩ　＆、、１１１１１４Ｒｋｏ、ｐｃτ／υＳ　８９ １０１６８６

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１の偏光状態のコヒーレントな信号ビームを生成する手段と、 前記第１の偏光状態の第１の成分および第２の偏光状態の第２の成分を有するコ ヒーレントな基準ビームを生成する手段と、 前記信号ビームに応答して前記基準ビームの前記第２の成分を位相共役する光バ ルブ手段とを含む光バルブシステム。
2. （２）前記光バルブ手段は前記第１の偏光状態の前記信号ビームおよび前記第１ の偏光状態の前記第１の基準ビーム成分を透過し、前記第２の偏光状態の前記第 ２の基準ビーム成分を反射する反射鏡手段を含む請求項１記載のシステム。
3. （３）前記反射鏡手段は縦軸に平行な光反射ラインのアレイを有する偏光感応性 反射鏡を含む請求項２記載のシステム。
4. （４）前記ラインはそれぞれ複数の間隔を付けられた光反射セクションを含む請 求項３記載のシステム。
5. （５）第１の偏光状態のコヒーレントな信号ビームを生成する手段と、 前記第１の偏光状態の第１の成分および第２の偏光状態の第２の成分を有するコ ヒーレントな基準ビームを生成する手段と、 前記基準ビームの前記第１および第２の成分の強度を制御する手段と、 前記信号ビームに応答して前記基準ビームの前記第２の成分を位相共役する光バ ルブ手段とを含む光バルブシステム。
6. （６）前記光バルブ手段は液晶層と、 光導電層と、 前記第１の偏光状態の前記信号ビームおよび前記第１の偏光状態の前記第１の基 準ビーム成分を透過し、前記第２の偏光状態の前記第２の基準ビーム成分を反射 する液晶層と光導電層との間に挟まれた反射鏡手段とを含む請求項５記載のシス テム。
7. （７）前記強度制御手段は液晶位相プレートを含む請求項６記載のシステム。
8. （８）液晶層と、 光導電層と、 液晶層と光導電層との間に電圧を供給する手段と、第１の偏光状態の放射エネル ギを透過し、前記第２の偏光状態の放射エネルギを反射する液晶層と光導電層と の間に挟まれた反射鏡手段とを含む光バルブ。
9. （９）前記反射鏡手段は縦軸に平行な光反射ラインのアレイを有する偏光感応性 反射鏡を含む請求項８記載の光バルブ。
10. （１０）（ａ）第１および第２の偏光状態で基準ビームの第１および第２の成分 をそれぞれ偏光し、 （ｂ）信号ビームおよび基準ビームの前記第１の成分を透過し、前記基準ビーム の前記第２の成分を反射し、（ｃ）前記信号ビームの位相に応答して前記基準ビ ームの前記第２の成分の位相を変調することを含む第１の偏光状態の光信号ビー ムの位相共役レプリカを生成する方法。
11. （１１）前記基準ビームの前記第１および第２の成分を偏光する前記ステップは 前記第１および第２の成分の強度を調節するステップを含む請求項１０記載の方 法。