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1、光学光学(gungxu)双稳态效双稳态效应应第一页，共13页。 研研 究究 意意 义义 基基 本本 理理 论论 双双 稳稳 态态 应应 用用第二页，共13页。研究研究(ynji)意义意义 自自19741974年吉布斯（年吉布斯（GibbsGibbs）首先利用）首先利用F-PF-P标准具内充满标准具内充满饱和吸收气体饱和吸收气体NaNa蒸汽，观察到了光学双稳态现象以来，蒸汽，观察到了光学双稳态现象以来，光学双稳态成为非线性光学和光电子学领域内一个重要光学双稳态成为非线性光学和光电子学领域内一个重要的新型研究课题之一。广义地讲，任何一种光学元件或的新型研究课题之一。广义地讲，任何一种光学元件或者装
2、置，其光学透过或反射能力，能在入射光作用者装置，其光学透过或反射能力，能在入射光作用(zuyng)(zuyng)下发生可控制的变化，则均可以称为光学双下发生可控制的变化，则均可以称为光学双稳态装置。狭义地讲，光学双稳态装置通常是指腔内含稳态装置。狭义地讲，光学双稳态装置通常是指腔内含非线性介质的干涉仪。在入射激光作用非线性介质的干涉仪。在入射激光作用(zuyng)(zuyng)下，下，通过非线性介质折射率的感应变化而使干涉仪的透过率通过非线性介质折射率的感应变化而使干涉仪的透过率（或反射率）表现为入射光强的函数。从而可使该装置（或反射率）表现为入射光强的函数。从而可使该装置分别起到双稳开关、微
3、分放大以及限幅元件等功用。基分别起到双稳开关、微分放大以及限幅元件等功用。基于光学双稳态效应原理，可分别制成快速开关元件、光于光学双稳态效应原理，可分别制成快速开关元件、光学学“三极管三极管”和光学记忆元件等。和光学记忆元件等。第三页，共13页。基本基本(jbn)理论理论 光学双稳态：对于一个给定的入射光强，存在两个可能光学双稳态：对于一个给定的入射光强，存在两个可能的、稳定的输出光强状态，而且可以用光学的方法的、稳定的输出光强状态，而且可以用光学的方法(fngf)实现两个稳态间的翻转，实现两个稳态间的翻转，第四页，共13页。 当输入光强当输入光强I0I0由由0 0逐渐变强时，逐渐变强时，输出
4、的光强输出的光强I I逐渐增大，在逐渐增大，在I0 I0 =I0=I0时，时，I I有突升，并且晶体有突升，并且晶体由不透明变得透明；当输入光由不透明变得透明；当输入光强强I0I0再逐渐减少时，再逐渐减少时，I I的下降有的下降有滞后现象，而且，在滞后现象，而且，在I0 = I0I0 = I0时，时，I I有突降，并且晶体又变得有突降，并且晶体又变得不透明。不透明。 若输入光强为若输入光强为I0 I0 ，对应，对应(duyng)(duyng)的的a a时介质不透明时介质不透明状态，让输入光强增大后，再状态，让输入光强增大后，再回到回到I0I0时，对应时，对应(duyng)(duyng)的的b
5、b是透明状态；是透明状态； 同一个同一个I0I0对应对应(duyng)(duyng)的介质有透明，不透明两种稳的介质有透明，不透明两种稳定状态（光学双稳态）。定状态（光学双稳态）。 第五页，共13页。 具有光学双稳态的光学器件称之为光双稳器件具有光学双稳态的光学器件称之为光双稳器件, 非非线性法布里线性法布里-珀罗标准具是典型的光双稳器件。珀罗标准具是典型的光双稳器件。 这种器件由非线性光学材料和反馈光腔构成这种器件由非线性光学材料和反馈光腔构成 ,如下如下图所示，其外形很像一个激光器，不同的是其中的图所示，其外形很像一个激光器，不同的是其中的介质不是激光放大介质，而是非线性介质。在强光介质不
6、是激光放大介质，而是非线性介质。在强光的作用的作用(zuyng)下，介质的非线性参数（非线性下，介质的非线性参数（非线性吸收系数或非线性折射率）发生变化，从而引起透吸收系数或非线性折射率）发生变化，从而引起透射光强发生变化，光强的变化进一步引起非线性参射光强发生变化，光强的变化进一步引起非线性参数的变化。在光腔的反馈作用数的变化。在光腔的反馈作用(zuyng)下，这种下，这种变化形成正反馈过程，因而产生光学双稳态。变化形成正反馈过程，因而产生光学双稳态。第六页，共13页。光学光学(gungxu)双稳器件双稳器件 随着基础理论的充分随着基础理论的充分(chngfn)研究，研究，各种新型光学双稳态
7、器件相继问世。各种新型光学双稳态器件相继问世。 光双稳器件是一种具有反馈的非线性光学光双稳器件是一种具有反馈的非线性光学系统，可以按反馈的性质不同而分成全光的系统，可以按反馈的性质不同而分成全光的和混合的两种和混合的两种 第七页，共13页。光学双稳态器件光学双稳态器件(qjin)分类分类第八页，共13页。非非 线线 性性 光光学元件学元件光电探光电探测测 器器放大器放大器出射光出射光入射光入射光光电混合型光学双稳态装置光电混合型光学双稳态装置(zhungzh)工作框图工作框图 第九页，共13页。 典型的光学双稳器件和激光器同样典型的光学双稳器件和激光器同样(tngyng)都有光学谐振腔，激光器
8、的谐振都有光学谐振腔，激光器的谐振腔理论完全适用于光双稳器件。与激光理论腔理论完全适用于光双稳器件。与激光理论一样，光学双稳态理论也具有经典理论一样，光学双稳态理论也具有经典理论 、速、速率方程理论和半经典理论等形式。甚至有人率方程理论和半经典理论等形式。甚至有人建立了光学双稳性与激光器的统一理论，在建立了光学双稳性与激光器的统一理论，在光与物质作用的描述中对激光器其增益系数光与物质作用的描述中对激光器其增益系数为正号，而对光学双稳性改为负号，变成吸为正号，而对光学双稳性改为负号，变成吸收系数。收系数。第十页，共13页。光学光学(gungxu)双稳态应用双稳态应用 由于由于(yuy)(yuy)
9、双稳态系统可以实现光学限幅，双稳态系统可以实现光学限幅，光学微分放大、转换开关、逻辑门、存储元件以光学微分放大、转换开关、逻辑门、存储元件以及具有极快和可控作用功能的其它元件。因此光及具有极快和可控作用功能的其它元件。因此光学双稳态系统在光计算、光通信和集成光学中具学双稳态系统在光计算、光通信和集成光学中具有重要的应用有重要的应用. . ItIo0ItIo0开开 关关微分微分(wi fn)放大放大第十一页，共13页。 前页两图分别表示双稳装置作为微分放大器的工作状前页两图分别表示双稳装置作为微分放大器的工作状态图和作为快速态图和作为快速(kui s)开关（在理论上可以达到开关（在理论上可以达到 s）的工作状态。）的工作状态。 下图是作为记忆元件的状态图，此图即是开始所讲的下图是作为记忆元件的状态图，此图即是开始所讲的两种状态的两种状态的“迟滞回线迟滞回线”ItIo0记记 忆忆第十二页，共13页。 显示显示(xinsh)技术上技术上基于光学双稳基于光学双稳态的有源矩阵显示态的有源矩阵显示(xinsh)技术技术 制作光学制全光学计算机或电子光学混制作光学制全光学计算机或电子光学混合合 计算机计算机第十三页，共13页。
