第8章光学双稳性.ppt

1、第8章光学双稳性与光学混沌,理研0901,8.1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

2、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,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

3、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

4、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. 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),（

5、8. 1. 4),（8. 1. 5),L,Ei,R,T,R,T,Et,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

6、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。,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

7、,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（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