光学双稳态

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[拼音]:guangxue shuangwentai

[英文]:optical bistability

出现两个稳定透射状态的光学现象。光在二能级原子系统共振吸收时,如低入射光强,满足比尔定律

式中Ii是入射光强,I0是透射光强,α为吸收系数,L为吸收介质的厚度。透射光强与入射光强成正比;但如入射光强很高,就出现吸收的非线性─-饱和吸收,明显地偏离比尔定律。此时,介质变得几乎透明,因而透射光强几乎与入射光强一样大。图1b表示入射光强与透射光强之间的这种关系(图中虚线表示无吸收介质情况),可用一个单值函式来表示。

如果把这种二能级原子系统的吸收介质放在法布里-珀罗腔内,如图2a所示,由于吸收过程的非线性和腔的反馈过程的相互作用,入射光强与透射光强之间的关系就如图2b所示:当入射光强逐渐增加时,透射光强缓慢地单调上升;当入射光强到达某一临界值I媹时,系统突然透明,透射光强几乎与入射光强相等;如果这时减小入射光强,则系统会保留在高透射状态,不经原路线回到低透射状态;直到入射光强到达另一临界值I姈时,系统才回到低透射状态,此时介质又重新变成强吸收体。这种入射光强与透射光强间具有滞后回线的特性,造成在I姈-I媹区间内的每一入射光强对应透射光强有两个稳定的状态:高透射状态和低透射状态,这种现象称为光学双稳态。系统究竟处在什么透射状态不仅与入射光强有关,还与过去所处状态有关。

光学双稳态概念最早(1969)是在可饱和吸收介质的系统中提出的,并于1976年首次在钠蒸气介质中观察到。事实上在法布里-珀罗腔内的色散介质,即折射率(

,其中n2是非线性折射系数)随入射光强而变化的非线性介质,也观察到光学双稳态。并且有比吸收介质更为优越的效能,譬如,观察到光学双稳态的入射光强更低,对光源的线宽没有更高要求,也没有吸收引起的热耗散问题,因而在光学双稳态的应用上比吸收型装置更为受人重视。

光学双稳态引起人们极大注意的主要原因是光学双稳器件有可能应用在高速光通讯、光学影象处理、光储存、光学限幅器以及光学逻辑元件等方面。尤其是用半导体材料(GaAs,InSb等)制成的光学双稳器件,尺寸小(几毫米直径,几十至几百微米厚),功率低(10微瓦/微米2~1毫瓦/微米2),开关时间短(约10-12秒),有可能发展成为未来光计算机的逻辑元件。

光学双稳装置中不稳定性的研究,由于观察到“光学浑沌”(在一完全确定的非线性系统中,当改变参量时,出现类似随机的行为,称为浑沌)而受到理论物理界的重视,为研究非平衡统计物理提供了一种重要实验手段。

光学双稳态除在非线性法布里-珀罗腔内观察到外,还在诸如光电反馈混合装置、非线性介面、声光装置、自聚焦等实验中被观察到。

参考书目

C. M. Bowden, et al.,ed., Optical Bistability, Plenum Press, New York, 1981.

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