光學雙穩(wěn)態(tài)匯總課件

光學雙穩(wěn)態(tài)8/9/20231光學雙穩(wěn)態(tài)8/1/20231主要內(nèi)容一、非線性光學二、光學雙穩(wěn)態(tài)（一）光學雙穩(wěn)態(tài)的基本原理（二）吸收和色散型光學雙穩(wěn)態(tài)（三）光學雙穩(wěn)態(tài)器件8/9/20232主要內(nèi)容一、非線性光學二、光學雙穩(wěn)態(tài)（一）光學雙穩(wěn)態(tài)的基本原一、非線性光學當光照射物質時，光波電磁場將對物質中的電子產(chǎn)生作用，在外電場的作用下，介質原子成為電偶極子。電偶極子將隨光波的電磁場的變化產(chǎn)生振蕩。原子的電極化：負電荷中心與正電荷中心產(chǎn)生偏離的狀態(tài)8/9/20233一、非線性光學當光照射物質時，光波電磁場將對物質中的電子產(chǎn)生若物質中的電子在外場作用下產(chǎn)生位移r，則每個電子產(chǎn)生一個電偶極矩p。若光波隨時間作正弦變化，即它的電場強度沿兩個相反方向交替變化，電偶極子的負電荷中心將繞正電荷中心作周期性振蕩。表征電偶極子的物理量是電偶極矩。若單位體積中有N個電偶極子，N個偶極矩的矢量和為極化強度P。8/9/20234若物質中的電子在外場作用下產(chǎn)生位移r，則每個電子產(chǎn)生一個電當光與物質相互作用時，光場中的電場強度使介質原子因感應而產(chǎn)生電偶極矩，電偶極矩疊加起來形成電極化強度。電極化強度產(chǎn)生極化場，極化場發(fā)出次級輻射。8/9/20235當光與物質相互作用時，光場中的電場強度使介質原子因感應而產(chǎn)生線性光學：電偶極矩與外界電磁場成線性關系。若E以ω作簡諧變化，P及其產(chǎn)生的次級電磁輻射也以同樣的ω作簡諧變化，因兩頻率相同，次級輻射與入射光波疊加的結果使光波的單色性不變。8/9/20236線性光學：電偶極矩與外界電磁場成線性關系。若E以ω作簡諧當有幾種不同頻率的光波同時與該物質相互作用時，各種頻率的光都線性獨立地反射、折射和散射，不會發(fā)生新的頻率。在線性光學中，物質對光場的響應與光的場強成線性關系。光的獨立性原理和疊加原理都成立。8/9/20237當有幾種不同頻率的光波同時與該物質相互作用時，各種頻率的光都非線性光學：外界作用的光場較強時，電偶極子的振蕩不再與外電場成線性的關系，產(chǎn)生的電磁振蕩是非線性的。非線性光學是非線性物理學的分支學科；非線性光學是現(xiàn)代光學的分支學科；非線性光學是研究激光與物質相互作用的學科。8/9/20238非線性光學：外界作用的光場較強時，電偶極子的振蕩不再與外電場按照激光與各類介質的相互作用，可以把非線性光學效應分為兩類：1、被動非線性光學效應光與介質間無能量交換，而不同頻率的光波間能夠發(fā)生能量交換。例如，倍頻、三波混頻、參量過程、四波混頻、相位共軛…。晶體ωω2ω倍頻晶體ω4四波混頻ω1ω2ω38/9/20239按照激光與各類介質的相互作用，可以把非線性光學效應分為兩類：2、主動非線性光學效應光與介質間會發(fā)生能量交換，介質的物理參量與光場強度有關。例如，非線性吸收（飽和吸收、反飽和吸收、雙光子吸收等）、非線性折射（光克爾效應、自聚焦與自散焦、折射率飽和與反飽和等）、非線性散射（受激拉曼散射、受激布里淵散射）、光學雙穩(wěn)性……飽和吸收：光克爾效應與自聚焦：8/9/2023102、主動非線性光學效應光與介質間會發(fā)生能量交換，介質的物理參非線性光學的發(fā)展非線性光學研究從1960年發(fā)明激光開始。1961～1965年經(jīng)歷了初期創(chuàng)立階段，為總結這個階段的成果，非線性光學的創(chuàng)始人諾貝爾物理學獎獲得者N.Bloembergen1965年出版了《NonlinearOpticalPhenomena》一書。1965～1985年是非線性光學的發(fā)展成熟階段，為總結這個階段的成果，1984年非線性光學權威專家沈元壤出版了《ThePrinciplesofNonlinearOptics》一書。1985～2000年是非線性光學的初步應用階段。8/9/202311非線性光學的發(fā)展非線性光學研究從1960年發(fā)明激光開始。19非線性光學研究的發(fā)展趨勢研究對象從穩(wěn)態(tài)轉向動態(tài)；所用光源從連續(xù)、寬脈沖轉向納秒、皮秒超短脈沖；從強光非線性的研究轉向弱光非線性研究；從研究共振峰處的現(xiàn)象轉向研究非共振區(qū)的現(xiàn)象；從二能級模型的研究轉向多能級模型的研究；研究物質的尺度從宏觀尺度（衍射光學），到介觀尺度（近場光學），再到微觀尺度（量子光學）。8/9/202312非線性光學研究的發(fā)展趨勢研究對象從穩(wěn)態(tài)轉向動態(tài)；8/1/20在后續(xù)的課程中，我們將介紹各種非線性光學效應，這里首先討論光學雙穩(wěn)態(tài)。非線性光學的應用舉例用非線性光學方法實現(xiàn)對激光的振幅、相位、強度、波形、方向、偏振等參量進行控制；用非線性方法獲得物質成分、結構、特性等信息；在各種空間尺度和時間范圍內(nèi)研究光與物質之間相互作用的規(guī)律。8/9/202313在后續(xù)的課程中，我們將介紹各種非線性光學效應，這里首先討論光二、光學雙穩(wěn)態(tài)（一）光學雙穩(wěn)態(tài)的基本原理（二）吸收和色散型光學雙穩(wěn)態(tài)（三）光學雙穩(wěn)態(tài)器件8/9/202314二、光學雙穩(wěn)態(tài)（一）光學雙穩(wěn)態(tài)的基本原理8/1/202314（一）光學雙穩(wěn)態(tài)的基本原理光學雙穩(wěn)是指一個輸入光強存在著兩個可以相互轉換的穩(wěn)定輸出光強狀態(tài)，其輸入輸出光強關系類似磁滯回線。8/9/202315（一）光學雙穩(wěn)態(tài)的基本原理光學雙穩(wěn)是指一個輸入光強存在著兩個光與物質相互作用使輸出光場的強度發(fā)生非線性變化，對于一定的輸入信號，輸出可以有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出與輸入的光信號呈S形曲線，如圖10.1所示，其中虛線部分不穩(wěn)定（當輸入減小時，輸出增加不穩(wěn)定，實驗觀測不到）。8/9/202316光與物質相互作用使輸出光場的強度發(fā)生非線性變化，對于一定的輸當輸入信號較弱時，輸出很弱（“關”的狀態(tài)）。當輸入信號y逐漸增強到一定數(shù)值IM時，輸出光強發(fā)生跳躍式的增強（“開”的狀態(tài)）。反之，當輸入光強從強到弱逐漸減弱到特定數(shù)值Im時，輸出光強則從上面的分支跳到下面的分支。在圖中的S形曲線的中間部分，對于輸入信號的一個值，輸出有兩個穩(wěn)定值。究竟輸出光信號在哪個狀態(tài)上，與輸入信號的變化過程的方向有關。8/9/202317當輸入信號較弱時，輸出很弱（“關”的狀態(tài)）。當輸入信號y逐漸哈肯為說明雙穩(wěn)態(tài)的特性而繪制的一副圖。當你從左向右依次看各個圖畫時，你會感到，中間的圖象很像是老翁的頭像。反之，當你從右向左看時，又感到中間的圖象很像是少女像。8/9/202318哈肯為說明雙穩(wěn)態(tài)的特性而繪制的一副圖。當你從左向右依次看各個請注意一下，從左向右看時，你的感覺在哪副圖象上發(fā)生突變（很象少女）。再注意從右向左看時，在哪副圖象上發(fā)生突變（象老翁了）。8/9/202319請注意一下，從左向右看時，你的感覺在哪副圖象上發(fā)生突變（很象從左到右和從右到左看上述圖畫時，你感覺的兩個突變點顯然不同，這正是雙穩(wěn)態(tài)的特征。老翁代表一個穩(wěn)定態(tài)，少女代表一個穩(wěn)定態(tài)，中間的態(tài)是不穩(wěn)定的。8/9/202320從左到右和從右到左看上述圖畫時，你感覺的兩個突變點顯然不同，此外，也許人們都有這樣的體驗，當你在街上遇到一對夫婦帶著一個孩子，若先看丈夫再看孩子，似乎孩子長得象爸爸。反之，若先看媽媽，再看孩子，似乎孩子又象媽媽。這說明視覺和大腦有非線性。8/9/202321此外，也許人們都有這樣的體驗，當你在街上遇到一對夫婦帶著一個（1）延滯性：透射光總是滯后于入射光，延滯性決定其系統(tǒng)的穩(wěn)定特性，來源于負反饋作用。（2）突變性：兩狀態(tài)間的快速開關轉換，這種兩狀態(tài)間的快速轉換特性，起源于正反饋作用。光學雙穩(wěn)態(tài)的特征曲線有以下兩個特征：負反饋指輸出起到與輸入相反的作用，使系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)目標的誤差減小，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；正反饋指輸出起到與輸入相似的作用，使系統(tǒng)偏差不斷增大，導致系統(tǒng)振蕩，從而放大控制作用。8/9/202322（1）延滯性：透射光總是滯后于入射光，延滯性決定其系統(tǒng)的穩(wěn)定為說明光學雙穩(wěn)態(tài)的原理，假定一個干涉儀內(nèi)充滿非線性折射率的介質，其折射率為。這種介質稱為克爾介質，即非線性系數(shù)，干涉儀的諧振條件為：其中是干涉儀的長度，是線性折射率，是非線性折射率，是一個整數(shù)，是腔內(nèi)作用于非線性介質的光強。8/9/202323為說明光學雙穩(wěn)態(tài)的原理，假定一個干涉儀內(nèi)充滿非線性折射率的介假定I=0時激光波長長于諧振波長，如圖所示。若，當入射光強增強時，腔內(nèi)光強也增強，使增大，由于增長，使增長而趨向共振波長。這樣圖（a）中的透射峰向移動。透射峰越向移動，腔內(nèi)光強就越強。腔內(nèi)光強越強，透射峰向的移動越快。這是正反饋過程。8/9/202324假定I=0時激光波長長于諧振波長，如當入射光強增強到一定的數(shù)值時，則輸出光強增長的斜率變?yōu)闊o窮大。輸出光強的變化發(fā)生跳躍，即從下分支跳到上分支。這時，若輸入光強繼續(xù)增強，又偏離諧振，隨的變化就更慢了，即在上分支有負反饋的過程。8/9/202325當入射光強增強到一定的數(shù)值時，則輸出光強當輸入光強從強到弱變化時，輸出略有降低。當?shù)綍r，由于在該點正對應諧振條件，腔內(nèi)光強是強的，所以絕不會在點發(fā)生向下的跳躍。當從進一步降低時，越小，越偏離諧振。它越偏離諧振，腔內(nèi)光強也就越弱。當時，隨降低的速率（斜率）為負無窮大時，便從上分支跳到下面的分支。8/9/202326當輸入光強從強到弱變化時，輸出略有降低。當?shù)皆陔p穩(wěn)態(tài)曲線中，和是開關點。在和之間，對應輸入光強的一個數(shù)值，則輸出光強有兩個態(tài)，故稱之為雙穩(wěn)態(tài)。在S形曲線的虛線部分，隨增長的斜率是負的，是不穩(wěn)定的。這個虛線部分對應于半導體隧道二極管的V-A曲線的負阻部分（也是不穩(wěn)定的）。由以上分析可知，產(chǎn)生光學雙穩(wěn)態(tài)的兩個條件是：非線性和正反饋。8/9/202327在雙穩(wěn)態(tài)曲線中，和是開關點。在和（二）吸收和色散型光學雙穩(wěn)態(tài)下面對輸入激光經(jīng)圖所示的法布里—珀羅腔體后，輸出光場與輸入光場的關系作具體的解析分析。8/9/202328（二）吸收和色散型光學雙穩(wěn)態(tài)下面對輸入激光經(jīng)當一束連續(xù)輸出的激光被注入到頻率與激光頻率共振或近共振的光學腔體時，入射光場會被腔體兩端的透鏡透射和反射。如果腔體是一空腔，這時輸出光場的強度：但是當腔體中填滿介質原子后，介質原子和光場的作用將導致對光場的吸收和色散，使得輸出光場量變成輸入光場量的非線性函數(shù)，因而輸出光場強度就會非線性地隨著入射光強變化。8/9/202329當一束連續(xù)輸出的激光被注入到頻率與激光頻率共振或近共振的光學假設如圖所示的腔體兩端鏡面的性質相同，并且對光場無損耗作用，反射系數(shù)R和透射系數(shù)T分別定義為：式中和是R和T相對應的反射和透射幅，分別是腔體中的正向和反向傳播電場，由邊界條件可知電場滿足：8/9/202330假設如圖所示的腔體兩端鏡面的性質相同，并且對光場無損耗作用，這里已假設腔中介質原子性質相同且均勻填充在腔體中。式中k為腔中光場的傳播常數(shù)，它滿足為入射光場的頻率，n代表介質的折射率，因此，上式中的2kL描述的是和之間的位相差，代表腔中介質對光場的單位長度未飽和吸收系數(shù)。由于隨線性變化，因此下面我們僅討論與之間的變化關系。8/9/202331這里已假設腔中介質原子性質相同且均勻填充在腔體中。8/1/2由上面的邊界條件可知：顯然，如果和k是腔中光強的非線性函數(shù)，那么與之間就有一種非線性依賴關系。8/9/202332由上面的邊界條件可知：顯然，如果和k是腔中現(xiàn)在假設腔體中所填充的介質是一種純吸收介質，它對光場無色散作用，即腔中光場的傳播系數(shù)k是一與腔中光強無關的常數(shù)，吸收系數(shù)隨光強非線性變化。這種情況下，可通過調節(jié)腔體長度，使得1、吸收型雙穩(wěn)態(tài)8/9/202333現(xiàn)在假設腔體中所填充的介質是一種純吸收介質，它對光場無色散作于是與滿足如下關系式：定義無量綱因子：利用R+T=1可得到：為簡單起見，假設，從而可忽略腔中光場在橫向的變化，則：8/9/202334于是與滿足如下關系式：定義無量綱因如果腔中介質原子與光場發(fā)生的是單光子相互作用，則未飽和系數(shù)與腔中光強之間滿足：式中為飽和吸收系數(shù)，是與相對應的飽和光強。在長時極限下，腔中正向傳播光強與反向傳播光強近似相等，即，從而無量綱因子變?yōu)椋?/9/202335如果腔中介質原子與光場發(fā)生的是單光子相互作用，則未飽和系數(shù)則入射光強變?yōu)椋耗敲摧斎牍鈴娕c輸出光強之間的關系可表示為：8/9/202336則入射光強變?yōu)椋耗敲摧斎牍鈴娕c輸出光強之間的關系可表示為：88/9/2023378/1/202337圖2.5.3繪出了按上面的輸入輸出光強之間的依賴關系。它表明，當較小時，即腔中介質的飽和吸收系數(shù)較小時，透射光強與入射光強之間幾乎始終是一種線性依賴關系，當增大到某一值后（如圖中），與間變化曲線的形狀類似“S”形。顯然，在“S”形的兩端，即透射光強隨入射光強的變化率的部分，有兩個穩(wěn)定的分支。這就是說，當大于某一值后，在入射光強的某一值域，透射光強可以有兩個不同的穩(wěn)定值域，即系統(tǒng)的輸出可以有兩個不同的穩(wěn)定狀態(tài)，這就形成了光學雙穩(wěn)態(tài)。8/9/202338圖2.5.3繪出了按上面的輸入輸出光強之間的依賴關系。它表8在圖2.5.3中“S”形的中間部分，，系統(tǒng)在這一分支是不穩(wěn)定的，如果初始時系統(tǒng)處在這一分支，那么隨著入射光強的微小變化，系統(tǒng)就會很快地躍變到兩個穩(wěn)定分支中的一支。由于這里所討論的介質對腔中光場只有吸收作用，因此這種光學雙穩(wěn)態(tài)又稱為吸收型光學雙穩(wěn)態(tài)。利用光學方法使處于S形部分的系統(tǒng)，通過調制入射光場量，使系統(tǒng)進入一個穩(wěn)定分支態(tài)，從而可實現(xiàn)光學“開關”等作用。8/9/202339在圖2.5.3中“S”形的中間部分，從物理根源角度來看，出現(xiàn)吸收型光學雙穩(wěn)態(tài)的原因是腔中介質對光場的非線性吸收和反饋的共同作用。當入射光強較弱時，腔中介質對光場的未飽和吸收使得輸出與輸入呈線性關系，隨著入射光強增大到一定程度，介質原子對光場的吸收飽和，使得腔內(nèi)光強變強。腔內(nèi)光強越強，則吸收作用越小，腔內(nèi)光強就更強，這是一種正反饋過程，當入射光強達到特定值時，輸出光強的增長斜率變?yōu)榉浅４螅l(fā)生從下分支到上分支的躍變。8/9/202340從物理根源角度來看，出現(xiàn)吸收型光學雙穩(wěn)態(tài)的原因是腔8/1/2如果在法布里—珀羅腔中所填充的介質對光場具有色散作用，那么輸出光強與輸入光強之間又具有什么樣的關系？下面來分析這種情況。2、色散型雙穩(wěn)態(tài)如果腔中介質對腔中光場只有色散作用而無吸收作用，即，折射率n依賴于腔中光強，在這種情況下，簡化為：8/9/202341如果在法布里—珀羅腔中所填充的介質對光場具有色散作用，那么輸這里已令式中折射率是腔中光強的函數(shù)。對于典型的色散介質---克爾介質，其折射率為：式中是與無關的常數(shù)。8/9/202342這里已令式中折射率是腔中光強的函數(shù)。對由上面的這些關系式可以得到之間的關系為：相移因子為：8/9/202343由上面的這些關系式可以得到之間的關顯然，是考慮腔中色散介質（克爾介質）影響的透射系數(shù)，它在處具有最大的峰值，如圖2.5.4所示。8/9/202344顯然，是考慮腔中色散介質（克爾介質）影響的透射系8/由于總可以選擇適當?shù)膮?shù)（如）使得峰寬很窄，這樣就可以在峰值附近將展開成級數(shù)，并且只取一次冪項：8/9/202345由于總可以選擇適當?shù)膮?shù)（如則之間滿足：利用得到了輸出光強與輸入光強之間具有雙穩(wěn)態(tài)的函數(shù)關系。如圖2.5.5所示，不同的初始相位可得到不同值域的雙穩(wěn)曲線。由于此時腔中介質是純色散型的，因此通常把這類光學雙穩(wěn)態(tài)稱為色散型雙穩(wěn)態(tài)。8/9/202346則之間滿足：利用8/9/2023478/1/202347色散型光學雙穩(wěn)態(tài)產(chǎn)生的機理可以這樣理解，由于介質的折射率非線性地依賴于腔中光強，因此腔體的諧振波長就與有關，諧振波長與入射激光的波長間的差值又影響入射光的透射系數(shù)，使得腔中的光強發(fā)生變化，顯然這是一種反饋過程。因此同吸收型光學雙穩(wěn)態(tài)一樣，產(chǎn)生色散型光學雙穩(wěn)態(tài)的