ОПТИ́ЧЕСКАЯ БИСТАБИ́ЛЬНОСТЬ

ОПТИ́ЧЕСКАЯ БИСТАБИ́ЛЬНОСТЬ, од­но из про­яв­ле­ний са­мо­воз­дей­ст­вия све­та в не­ли­ней­ных сис­те­мах с об­рат­ной свя­зью, при ко­то­ром оп­ре­де­лён­ной ин­тен­сив­но­сти и по­ля­ри­за­ции па­даю­ще­го из­лу­че­ния со­от­вет­ст­ву­ют два воз­мож­ных ус­той­чи­вых ста­цио­нар­ных со­стоя­ния по­ля про­шед­шей вол­ны, раз­ли­чаю­щих­ся ам­пли­ту­дой и/или па­ра­мет­ра­ми по­ля­ри­за­ции. Пе­ре­да­точ­ные ха­рак­те­ри­сти­ки та­ких сис­тем, оп­ре­де­ляю­щие за­ви­си­мость ста­цио­нар­ных зна­че­ний ин­тен­сив­но­сти I_пр, сте­пе­ни эл­лип­тич­но­сти ε_пр и уг­ла на­кло­на φ_пр гл. оси эл­лип­са по­ля­ри­за­ции про­шед­ше­го из­лу­че­ния от со­от­вет­ст­вую­щих ха­рак­те­ри­стик вход­но­го из­лу­че­ния (I_вх, ε_вх, φ_вх), не­од­но­знач­ны и об­ла­да­ют яр­ко вы­ра­жен­ны­ми гис­те­ре­зис­ны­ми свой­ст­ва­ми. При­чи­ной воз­ник­но­ве­ния не­од­но­знач­но­сти пе­ре­да­точ­ных ха­рак­те­ри­стик в не­ли­ней­ных сис­те­мах яв­ля­ет­ся об­рат­ная связь. Ес­ли фик­си­ро­ван­ным зна­че­ни­ям I_вх, ε_вх, φ_вх со­от­вет­ст­ву­ют два ус­той­чи­вых ста­цио­нар­ных со­стоя­ния по­ля про­шед­ше­го из­лу­че­ния, то в оп­тич. сис­те­ме реа­ли­зу­ет­ся О. б., ес­ли боль­ше двух – оп­тич. муль­ти­ста­биль­ность.

В ка­че­ст­ве оп­ти­че­ски бис­та­биль­ных уст­ройств ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся: пас­сив­ные оп­тич. ре­зо­на­то­ры (ОР) с не­ли­ней­ной сре­дой, в ко­то­рых об­рат­ная связь воз­ни­ка­ет за счёт от­ра­же­ния от зер­кал; сис­те­мы с рас­пре­де­лён­ной об­рат­ной свя­зью; оп­то­элек­трон­ные гиб­рид­ные сис­те­мы, в ко­то­рых об­рат­ная связь осу­ще­ст­в­ля­ет­ся за счёт управ­ле­ния па­ра­мет­ра­ми оп­тич. сре­ды элек­трич. сиг­на­лом с де­тек­то­ра про­шед­ше­го све­то­во­го по­то­ка, и др.

В 1964 нем. фи­зик Г. Ла­шер пред­ло­жил пер­вый бис­та­биль­ный ин­жек­ци­он­ный ла­зер на ар­се­ни­де гал­лия. Пер­вые экс­пе­ри­мен­ты по оп­тич. гис­те­ре­зи­су и О. б. в га­зо­вом ла­зе­ре с не­ли­ней­но по­гло­щаю­щей ячей­кой бы­ли вы­пол­не­ны рос. фи­зи­ка­ми В. Н. Ли­си­ци­ным и В. П. Че­бо­тае­вым в 1968. Тео­ре­ти­че­ски О. б. в пас­сив­ных сис­те­мах впер­вые рас­смот­ре­на рос. фи­зи­ком В. Н. Лу­го­вым в 1969 при ис­сле­до­ва­нии рас­про­стра­не­ния све­та че­рез ОР, в ко­то­ром на­хо­ди­лась сре­да с не­ли­ней­но­стью ра­ма­нов­ско­го ти­па.

Оптическая бистабильность в кольцевом оптическом резонаторе с нелинейной средой при неизменной поляризации распространяющейся волны.

В при­бли­же­нии не­из­мен­но­сти по­ля­ри­за­ции из­лу­че­ния, рас­про­стра­няю­ще­го­ся в ОР с не­ли­ней­ной сре­дой, воз­мож­но воз­ник­но­ве­ние не­од­но­знач­ной за­ви­си­мо­сти ин­тен­сив­но­сти про­хо­дя­щей вол­ны I_пр от ин­тен­сив­но­сти вхо­дя­щей I_вх (рис.). В этом слу­чае О. б. воз­ни­ка­ет при I₁<I_вх<I₂. При оп­ре­де­лён­ных зна­че­ни­ях па­ра­мет­ров ОР и не­ли­ней­ной сре­ды в этом диа­па­зо­не су­ще­ст­ву­ют две ус­той­чи­вые вет­ви за­ви­си­мо­сти I_пр(I_вх). При плав­ном уве­ли­че­нии I_вх от ну­ля до I₂ ин­тен­сив­ность из­лу­че­ния на вы­хо­де ОР за­да­ёт­ся ниж­ней вет­вью за­ви­си­мо­сти I_пр(I_вх). В точ­ке I₂ про­ис­хо­дит пе­ре­ход на верх­нюю ветвь, и при даль­ней­шем уве­ли­че­нии I_вх за­ви­си­мость I_пр(I_вх) ста­но­вит­ся од­но­знач­ной. Ес­ли плав­но умень­шать I_вх от боль­ших зна­че­ний до I₁, то ин­тен­сив­ность на вы­хо­де ОР бу­дет оп­ре­де­лять­ся верх­ней вет­вью за­ви­си­мо­сти I_пр(I_вх), а в точ­ке I₁ про­изой­дёт пе­ре­ход на ниж­нюю ветвь, по­сле ко­то­ро­го за­ви­си­мость I_пр(I_вх) ста­но­вит­ся од­но­знач­ной. В ре­зуль­та­те цик­лич. плав­но­го из­ме­не­ния I_вх от ну­ля до I₂ и об­рат­но пе­ре­да­точ­ная ха­рак­те­ри­сти­ка при­ни­ма­ет вид пет­ли гис­те­ре­зи­са, и ес­ли I₁<I_вх<I₂, то ин­тен­сив­ность I_пр мо­жет быть ли­бо боль­шой, ли­бо ма­лой в за­виси­мо­сти от то­го, уве­ли­чи­ва­ет­ся или умень­ша­ет­ся I_вх. Та­кое бис­та­биль­ное по­ве­де­ние ле­жит в ос­но­ве дво­ич­ных пе­ре­клю­чаю­щих уст­ройств, ко­то­рые мож­но при­ме­нять в ка­че­ст­ве ми­ниа­тюр­ных низ­ко­энер­ге­тич. оп­тич. ло­гич. эле­мен­тов, ра­бо­таю­щих при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре.

В об­щем слу­чае рас­про­стра­не­ние ин­тен­сив­но­го из­лу­че­ния в не­ли­ней­ной сре­де со­про­во­ж­да­ет­ся из­ме­не­ни­ем его по­ля­ри­за­ции. Это про­ис­хо­дит да­же при рас­про­стра­не­нии вдоль оп­тич. оси, ко­гда для из­лу­че­ния ма­лой ин­тен­сив­но­сти по­ля­ри­за­ция не ме­ня­ет­ся в от­сут­ст­вие ги­ро­тро­пии. При рас­про­стра­не­нии вдоль оп­тич. оси вы­со­ко­ин­тен­сив­но­го плос­ко­по­ля­ри­зо­ван­но­го из­лу­че­ния час­то воз­ни­ка­ет по­ля­ри­за­ци­он­ная не­ус­той­чи­вость. Ес­ли сре­да по­ме­ще­на в ОР, то флук­туа­ции по­ля­ри­за­ции мо­гут на­рас­тать во вре­ме­ни. В ста­цио­нар­ном ре­жи­ме про­шед­шее че­рез ОР из­лу­че­ние ока­зы­ва­ет­ся в од­ном из двух сим­мет­рич­ных со­стоя­ний, раз­ли­чаю­щих­ся зна­ком уг­ла по­во­ро­та эл­лип­са по­ля­ри­за­ции от­но­си­тель­но ис­ход­но­го на­прав­ле­ния и на­прав­ле­ни­ем вра­ще­ния век­то­ра на­пря­жён­но­сти элек­трич. по­ля. Эф­фек­ты по­ля­ри­за­ци­он­но­го са­мо­воз­дей­ст­вия зна­чи­тель­но ус­лож­ня­ют изо­бра­жён­ную на ри­сун­ке за­ви­си­мость I_пр(I_вх). Для ка­ж­до­го I_вх име­ет­ся не два, а неск. зна­че­ний I_пр и, сле­до­ва­тель­но, неск. со­стоя­ний по­ля­ри­за­ции про­шед­ше­го ОР из­лу­че­ния. Гра­ни­цы об­лас­тей ус­той­чи­во­сти ста­цио­нар­ных со­стоя­ний по­ля весь­ма чув­ст­ви­тель­ны к из­ме­не­нию па­ра­мет­ров па­даю­ще­го из­лу­че­ния, ОР и не­ли­ней­ной сре­ды. При этом в об­лас­ти не­ус­той­чи­во­сти мо­гут воз­ни­кать пе­рио­дич. и хао­тич. ре­жи­мы из­ме­не­ния ин­тен­сив­но­сти и по­ля­ри­за­ции про­шед­ше­го из­лу­че­ния.