光学双稳态解析ppt课件.ppt

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1、光学双稳态8/2/20211主要内容一、非线性光学二、光学双稳态（一）光学双稳态的基本原理（二）吸收和色散型光学双稳态（三）光学双稳态器件8/2/20212一、非线性光学当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，在外电场的作用下，介质原子成为电偶极子。电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态8/2/20213若物质中的电子在外场作用下产生位移r，则每个电子产生一个电偶极矩p。若光波随时间作正弦变化，即它的电场强度沿两个相反方向交替变化，电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡。表征电偶极子的物理量是电偶极矩。若单

2、位体积中有N个电偶极子，N个偶极矩的矢量和为极化强度P。8/2/20214当光与物质相互作用时，光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩，电偶极矩叠加起来形成电极化强度。电极化强度产生极化场，极化场发出次级辐射。8/2/20215线性光学：电偶极矩与外界电磁场成线性关系。若E以ω作简谐变化，P及其产生的次级电磁辐射也以同样的ω作简谐变化，因两频率相同，次级辐射与入射光波叠加的结果使光波的单色性不变。8/2/20216当有几种不同频率的光波同时与该物质相互作用时，各种频率的光都线性独立地反射、折射和散射，不会发生新的频率。在线性光学中，物质对光场的响应与光的场强成线性关系。

3、光的独立性原理和叠加原理都成立。8/2/20217非线性光学：外界作用的光场较强时，电偶极子的振荡不再与外电场成线性的关系，产生的电磁振荡是非线性的。非线性光学是非线性物理学的分支学科；非线性光学是现代光学的分支学科；非线性光学是研究激光与物质相互作用的学科。8/2/20218按照激光与各类介质的相互作用，可以把非线性光学效应分为两类：1、被动非线性光学效应光与介质间无能量交换，而不同频率的光波间能够发生能量交换。例如，倍频、三波混频、参量过程、四波混频、相位共轭…。晶体ωω2ω倍频晶体ω4四波混频ω1ω2ω38/2/202192、主动非线性光学效应光与介质间会发生能量交换，介

4、质的物理参量与光场强度有关。例如，非线性吸收（饱和吸收、反饱和吸收、双光子吸收等）、非线性折射（光克尔效应、自聚焦与自散焦、折射率饱和与反饱和等）、非线性散射（受激拉曼散射、受激布里渊散射）、光学双稳性……饱和吸收：光克尔效应与自聚焦：8/2/202110非线性光学的发展非线性光学研究从1960年发明激光开始。1961～1965年经历了初期创立阶段，为总结这个阶段的成果，非线性光学的创始人诺贝尔物理学奖获得者N.Bloembergen1965年出版了《NonlinearOpticalPhenomena》一书。1965～1985年是非线性光学的发展成熟阶段，为总结这个阶段的成果，

5、1984年非线性光学权威专家沈元壤出版了《ThePrinciplesofNonlinearOptics》一书。1985～2000年是非线性光学的初步应用阶段。8/2/202111非线性光学研究的发展趋势研究对象从稳态转向动态；所用光源从连续、宽脉冲转向纳秒、皮秒超短脉冲；从强光非线性的研究转向弱光非线性研究；从研究共振峰处的现象转向研究非共振区的现象；从二能级模型的研究转向多能级模型的研究；研究物质的尺度从宏观尺度（衍射光学），到介观尺度（近场光学），再到微观尺度（量子光学）。8/2/202112在后续的课程中，我们将介绍各种非线性光学效应，这里首先讨论光学双稳态。非线性光学的

6、应用举例用非线性光学方法实现对激光的振幅、相位、强度、波形、方向、偏振等参量进行控制；用非线性方法获得物质成分、结构、特性等信息；在各种空间尺度和时间范围内研究光与物质之间相互作用的规律。8/2/202113二、光学双稳态（一）光学双稳态的基本原理（二）吸收和色散型光学双稳态（三）光学双稳态器件8/2/202114（一）光学双稳态的基本原理光学双稳是指一个输入光强存在着两个可以相互转换的稳定输出光强状态，其输入输出光强关系类似磁滞回线。8/2/202115光与物质相互作用使输出光场的强度发生非线性变化，对于一定的输入信号，输出可以有两个稳定状态，即输出与输入的光信号呈S形曲线，

7、如图10.1所示，其中虚线部分不稳定（当输入减小时，输出增加不稳定，实验观测不到）。8/2/202116当输入信号较弱时，输出很弱（“关”的状态）。当输入信号y逐渐增强到一定数值IM时，输出光强发生跳跃式的增强（“开”的状态）。反之，当输入光强从强到弱逐渐减弱到特定数值Im时，输出光强则从上面的分支跳到下面的分支。在图中的S形曲线的中间部分，对于输入信号的一个值，输出有两个稳定值。究竟输出光信号在哪个状态上，与输入信号的变化过程的方向有关。8/2/202117哈肯为说明双稳态的特性而绘制的一