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1、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,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,Ii,It,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：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
2、性曲线,It,Ii,Io,I ,I ,o,o,0,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,It,Ii,光学双稳器件的构成,Ii,It,非线性介质,非线性F-P标准具光学双稳器件,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。,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：吸收型由非线性吸收引起。色散型由非线性折射引起。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
3、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,I0,8.1.2光学双稳性的基本原理,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,Ii,It,可饱和吸收体,吸收型全光双稳器件,0为线性吸收系数，I0为介质中的光强，Is为饱和光强,（8
4、. 1. 1）,介质的吸收系数 表示为：,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，ItIi曲线的斜率较小，为k；,当器件处于高态，曲线的斜率为45。,高态,低态,0,It,Ii,吸收型光双稳特性,（8. 1. 2）,I0,Ii,It,光克尔介质,折射型光双稳器件,R为F-P腔反射镜的反射率,则由以上两式可得：,其中,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),L,Ei,R,T,R,T,Et,
5、F-P干涉仪多光束干涉光路图,两相邻透射光间的相位差为,带入到折射率表达式，可得到,其中,（8. 1. 6),（8. 1. 7),透射率T与相位差的关系可表示为,反馈关系式,T,周期性关系,调制关系式,F-P标准具的 关系图,（8. 1. 8),（8. 1. 9),A,B,C,D,E,F,1,2,3,T,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
6、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。,It,A,B,C,D,E,F,Ii,1,2,3,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,则（8. 1. 8）式可表示为,（8. 1. 10）,在 峰值附近,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,0,在 峰值附近的相位关系,由图中所示相位关系可见，（8. 1. 7）式,代入
7、（8.1.10）式，可得,（8.1.12）,令,则有,（8.1.13）,1,2,0,1,2,2,1,1,2,0,Ii,Ii,G=4 （临界情况）,G=,It,It,0.183（ 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,不同 下折射型本征双稳特性曲线,0.224,0.318,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,为满足上式，要求k=3，得 极值，即,利用F-P标准具的精细公式,对微分增益,（8. 1. 14),对双稳性,（8. 1. 15),用F-P的精细度定义 ，,实现双稳的条件是,（8. 1. 16),由以上分析可得到折射型光双稳器件的如下结论：要适当选择初相移才能满足阈值条件；较好的F-P精细度可以减少所需相移量；要有足够强的入射光强才能满足阈值条件；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 ,可得拐点坐标为,（8. 1. 17),
