光學(xué)雙穩(wěn)性精品課件

1、光學(xué)雙穩(wěn)性第1頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一8.1穩(wěn)態(tài)光學(xué)雙穩(wěn)性本節(jié)課主要內(nèi)容： 光學(xué)雙穩(wěn)性的基本概念光學(xué)雙穩(wěn)性的基本原理 第2頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一光學(xué)雙穩(wěn)性的基本概念光學(xué)雙穩(wěn)性如果一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)在給定的輸入光強(qiáng)下，存在著兩種 可能的輸出光強(qiáng)狀態(tài)，而且可以實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)光強(qiáng)狀態(tài) 間的可恢復(fù)性開關(guān)轉(zhuǎn)換，則稱該系統(tǒng)具有光學(xué)雙穩(wěn)性。光學(xué)系統(tǒng)IiIt光學(xué)雙穩(wěn)性的定義第3頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一光學(xué)雙穩(wěn)性一般是指光強(qiáng)的雙穩(wěn)性，有時(shí)也被推廣用于其他物理量如頻率的雙穩(wěn)性。光學(xué)雙穩(wěn)性的特征曲線特征：延滯性 透射光總是滯后

2、于入射光,延滯性決定其系統(tǒng) 的穩(wěn)定特性，來源于負(fù)反饋 作用突變性 兩狀態(tài)間的快速 開關(guān)轉(zhuǎn)換,這種兩狀態(tài)間的快 速轉(zhuǎn)換特性，起源于正反饋 作用光學(xué)雙穩(wěn)性的輸入與輸出特性曲線ItIiIoI I oo0第4頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一光學(xué)雙穩(wěn)器件具有光學(xué)雙穩(wěn)性的裝置稱為光學(xué)雙穩(wěn)器件構(gòu)成光學(xué)雙穩(wěn)器件的三要素：非線性介質(zhì)，反饋系統(tǒng)，入射光能反饋非線性介質(zhì)ItIi光學(xué)雙穩(wěn)器件的構(gòu)成第5頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一IiIt非線性介質(zhì)非線性F-P標(biāo)準(zhǔn)具光學(xué)雙穩(wěn)器件相同點(diǎn)不同點(diǎn)光雙穩(wěn)器件激光器光腔反饋負(fù)（正）反饋正反饋光與物質(zhì)相互作用非線性（被動(dòng)）介質(zhì)增益

3、（主動(dòng)）介質(zhì)非平衡相變第一類第二類輻射合作效應(yīng)超輻射受激輻射光學(xué)雙穩(wěn)器件與激光器比較最簡(jiǎn)單的光學(xué)雙穩(wěn)器件是在F-P光腔中放置一塊非線性介質(zhì)構(gòu)成的。第6頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一光學(xué)雙穩(wěn)器件的分類按反饋方式分類： （1）全光型純光學(xué)反饋器件。例如含有非線性介 質(zhì)的F-P標(biāo)準(zhǔn)具。 全光雙穩(wěn)器件按非線性機(jī)制不同可以分為：吸收型由非線性吸收引起。色散型由非線性折射引起。熱光型由熱致非線性引起。 （2）混合型混合反饋器件。例如具有反饋的電光調(diào)制器，以及其他電光、磁光、聲光雙穩(wěn)器件等。第7頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一光學(xué)雙穩(wěn)器件全光器件混合器件有腔

4、器件無腔器件有源器件雙穩(wěn)激光器無源器件吸收雙穩(wěn)器件色散雙穩(wěn)器件熱致雙穩(wěn)器件單鏡器件橫向雙穩(wěn)器件無鏡器件定向耦合器件增強(qiáng)吸收器件電光器件磁光器件、聲光器件、壓電器件（無介質(zhì)器件）外光電效應(yīng)器件具有反饋電光調(diào)制器內(nèi)光電效應(yīng)器件自電光效應(yīng)器件光學(xué)雙穩(wěn)器件的分類第8頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一I0光學(xué)雙穩(wěn)性的基本原理吸收型全光雙穩(wěn)性 吸收型全光雙穩(wěn)器件是 在F-P腔中放置一可飽 和吸收體構(gòu)成 IiIt可飽和吸收體吸收型全光雙穩(wěn)器件0為線性吸收系數(shù)，I0為介質(zhì)中的光強(qiáng)，Is為飽和光強(qiáng)（8. 1. 1）介質(zhì)的吸收系數(shù) 表示為：第9頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分

5、，星期一 設(shè)Ii和It分別為器件的入射光強(qiáng)和透射光強(qiáng)，L為器件厚度，則透射率T為： 當(dāng)器件處于低態(tài)，ItIi曲線的斜率較小，為k； 當(dāng)器件處于高態(tài)，曲線的斜率為45。高態(tài)低態(tài)0ItIi吸收型光雙穩(wěn)特性（8. 1. 2）第10頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一I0IiIt光克爾介質(zhì)折射型光雙穩(wěn)器件R為F-P腔反射鏡的反射率則由以上兩式可得：其中折射型全光學(xué)雙穩(wěn)特性折射型光雙穩(wěn)器件是在F-P腔中放置一光克爾介質(zhì)構(gòu)成對(duì)光克爾介質(zhì)，其折射率為 對(duì)F-P干涉儀，介質(zhì)內(nèi)光強(qiáng)可近似表示為（8. 1. 3)（8. 1. 4)（8. 1. 5)第11頁，共20頁，2022年，5月20日，3

6、點(diǎn)50分，星期一LEiR,TR,TEtF-P干涉儀多光束干涉光路圖兩相鄰?fù)干涔忾g的相位差為帶入到折射率表達(dá)式，可得到其中（8. 1. 6)（8. 1. 7)第12頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一透射率T與相位差的關(guān)系可表示為反饋關(guān)系式T周期性關(guān)系調(diào)制關(guān)系式F-P標(biāo)準(zhǔn)具的 關(guān)系圖（8. 1. 8)（8. 1. 9)第13頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一ABCDEF123T反饋曲線調(diào)制曲線作圖法求出折射型光雙穩(wěn)器件的工作點(diǎn)作圖法求折射型雙穩(wěn)特性曲線聯(lián)立7，8兩式，可用作圖法得到兩個(gè)曲線相交的工作點(diǎn)當(dāng)逐步增加入射光強(qiáng)，直線斜率逐漸減少，兩曲線交點(diǎn)依次為

7、A-B-C-D-E。當(dāng)逐步減少入射光強(qiáng)，直線斜率逐漸增加，兩曲線交點(diǎn)依次為E-D-F-B-A。器件雙穩(wěn)特性的工作范圍在直線CD與BF之間，在這個(gè)范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)一個(gè)入射光強(qiáng)，兩曲線有三個(gè)交點(diǎn)1、2、3其中2不穩(wěn)定，1、3穩(wěn)定，即對(duì)應(yīng)一個(gè)入射光，存在兩個(gè)穩(wěn)定的透射光強(qiáng)狀態(tài)。第14頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一ItABCDEFIi123作圖法求折射型光學(xué)雙穩(wěn)特性解析法求折射型雙穩(wěn)特性曲線則（8. 1. 8）式可表示為（8. 1. 10）在 峰值附近這樣就得到相應(yīng)透射光強(qiáng)It依賴于入射光強(qiáng)Ii的關(guān)系曲線，即折射型光學(xué)雙穩(wěn)性的特性曲線C-2-F曲線不穩(wěn)定，It滯后于Ii，在C點(diǎn)和

8、F點(diǎn)發(fā)生開啟和關(guān)閉的跳變第15頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一根據(jù)（8. 1. 7）可得0在 峰值附近的相位關(guān)系由圖中所示相位關(guān)系可見，（8. 1. 7）式代入（）式，可得（）令則有（）第16頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一1201221120IiIiG=4 （臨界情況）G=ItIt0.183（ 臨界情況）0.158對(duì)于不同的初始相位，存在著不同的折射型光學(xué)雙穩(wěn)曲線曲線的斜率 決定著系統(tǒng)的性質(zhì)不同 下折射型本征雙穩(wěn)特性曲線0.2240.318第17頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一 為求雙穩(wěn)閾值條件，由 求拐點(diǎn)位置得到 因此，微分增益與光雙穩(wěn)的臨界點(diǎn)為第18頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一為滿足上式，要求k=3，得 極值，即 利用F-P標(biāo)準(zhǔn)具的精細(xì)公式對(duì)微分增益（8. 1. 14)對(duì)雙穩(wěn)性（8. 1. 15)用F-P的精細(xì)度定義 ， 實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)的條件是（8. 1. 16)第19頁，共20頁，2022年，5月20日，3點(diǎn)50分，星期一由以上分析可得到折射型光雙穩(wěn)器件的如下結(jié)論