光学双稳性

8.1稳态光学双稳性本节课主要内容：•光学双稳性的基本概念•光学双稳性的基本原理8.1.1光学双稳性的基本概念1.光学双稳性如果一个光学系统在给定的输入光强下，存在着两种可能的输出光强状态，而且可以实现这两个光强状态间的可恢复性开关转换，则称该系统具有光学双稳性。光学系统IiIt光学双稳性的定义光学双稳性一般是指光强的双稳性，有时也被推广用于其他物理量如频率的双稳性。光学双稳性的特征曲线特征：①延滞性透射光总是滞后于入射光,延滞性决定其系统的稳定特性，来源于负反馈作用②突变性两状态间的快速开关转换,这种两状态间的快速转换特性，起源于正反馈作用光学双稳性的输入与输出特性曲线ItIiIoI〞I′oo02.光学双稳器件具有光学双稳性的装置称为光学双稳器件构成光学双稳器件的三要素：非线性介质，反馈系统，入射光能反馈非线性介质ItIi光学双稳器件的构成IiIt非线性介质非线性F-P标准具光学双稳器件相同点不同点光双稳器件激光器光腔反馈负（正）反馈正反馈光与物质相互作用非线性（被动）介质增益（主动）介质非平衡相变第一类第二类辐射—合作效应超辐射受激辐射光学双稳器件与激光器比较最简单的光学双稳器件是在F-P光腔中放置一块非线性介质构成的。3.光学双稳器件的分类按反馈方式分类：（1）全光型——纯光学反馈器件。例如含有非线性介质的F-P标准具。全光双稳器件按非线性机制不同可以分为：①吸收型——由非线性吸收引起。②色散型——由非线性折射引起。③热光型——由热致非线性引起。（2）混合型——混合反馈器件。例如具有反馈的电光调制器，以及其他电光、磁光、声光双稳器件等。光学双稳器件全光器件混合器件有腔器件无腔器件有源器件——双稳激光器无源器件吸收双稳器件色散双稳器件热致双稳器件单镜器件——横向双稳器件无镜器件定向耦合器件增强吸收器件电光器件磁光器件、声光器件、压电器件（无介质器件）外光电效应器件——具有反馈电光调制器内光电效应器件——自电光效应器件光学双稳器件的分类I08.1.2光学双稳性的基本原理1.吸收型全光双稳性吸收型全光双稳器件是在F-P腔中放置一可饱和吸收体构成IiIt可饱和吸收体吸收型全光双稳器件α0为线性吸收系数，I0为介质中的光强，Is为饱和光强001sII（8.1.1）介质的吸收系数表示为：tLiITeI设Ii和It分别为器件的入射光强和透射光强，L为器件厚度，则透射率T为：当器件处于低态，It—Ii曲线的斜率较小，为k；0000,0,,LiittIIIeIkI，0,,0,iitIIII，当器件处于高态，曲线的斜率为45°。高态低态0ItIi吸收型光双稳特性（8.1.2）I0IiIt光克尔介质折射型光双稳器件020nnnI01)1tRIIRR为F-P腔反射镜的反射率则由以上两式可得：0tnnCI其中21()1RCnR2.折射型全光学双稳特性折射型光双稳器件是在F-P腔中放置一光克尔介质构成对光克尔介质，其折射率为对F-P干涉仪，介质内光强可近似表示为（8.1.3)（8.1.4)（8.1.5)LEiR,TR,TEtF-P干涉仪多光束干涉光路图两相邻透射光间的相位差为24(2)nLnL带入到折射率表达式，可得到0tKI其中002421,()1RnLKnLR（8.1.6)（8.1.7)透射率T与相位差的关系可表示为0tiiITIKI反馈关系式22141sin()2tiITRITT02m周期性关系2(1)m2调制关系式F-P标准具的关系图T（8.1.8)（8.1.9)0ABCDEF123T反馈曲线调制曲线作图法求出折射型光双稳器件的工作点作图法求折射型双稳特性曲线联立7，8两式，可用作图法得到两个曲线相交的工作点当逐步增加入射光强，直线斜率逐渐减少，两曲线交点依次为A-B-C-D-E。当逐步减少入射光强，直线斜率逐渐增加，两曲线交点依次为E-D-F-B-A。器件双稳特性的工作范围在直线CD与BF之间，在这个范围内，对应一个入射光强，两曲线有三个交点1、2、3其中2不稳定，1、3稳定，即对应一个入射光，存在两个稳定的透射光强状态。ItABCDEFIiiI123作图法求折射型光学双稳特性解析法求折射型双稳特性曲线sin()22则（8.1.8）式可表示为22(1)itRIIT（8.1.10）在峰值附近2m这样就得到相应透射光强It依赖于入射光强Ii的关系曲线，即折射型光学双稳性的特性曲线C-2-F曲线不稳定，It滞后于Ii，在C点和F点发生开启和关闭的跳变根据（8.1.7）可得02tI0022tI在峰值附近的相位关系2m2022[1()]ittRIIIT由图中所示相位关系可见，（8.1.7）式代入（8.1.10）式，可得（8.1.12）202RkT20IiII20TtII令02tI322(1)ITTTIkIkIkI则有（8.1.13）1201221120IiIiG=4（临界情况）G=∞ItIt0.183（临界情况）0.158对于不同的初始相位，存在着不同的折射型光学双稳曲线曲线的斜率决定着系统的性质TIIT01,dIdIdIdI当无增益，无双稳；或1TIdIdI不同下折射型本征双稳特性曲线00.2240.3180TIIT11,dIdIdIdI当有微分增益或0；TIIT00,dIdIdIdI当有光学双稳性。或220ITdIdI2341ITTTdIkIkIkdI22640ITTdIkIkdI23TI121123()[341](1)3TTITTIITdIdIkGkIkIkdIdI为求双稳阈值条件，由求拐点位置得到因此，微分增益与光双稳的临界点为1RRFRT为满足上式，要求k=3，得极值，即2023,RTkTR0或利用F-P标准具的精细公式对微分增益030F（8.1.14)对双稳性03F（8.1.15)用F-P的精细度定义，2F实现双稳的条件是032FF（8.1.16)0由以上分析可得到折射型光双稳器件的如下结论：①要适当选择初相移才能满足阈值条件；②较好的F-P精细度可以减少所需相移量；③要有足够强的入射光强才能满足阈值条件；④较大的非线性折射系数可降低阈值光强。将，，代入式（8.1.13）得到,23TI022222321333tcTIFR0222883819933icTIFR3k89II可得拐点坐标为（8.1.17)