ОПТИ́ЧЕСКАЯ БИСТАБИ́ЛЬНОСТЬ
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
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 Iпр, степени эллиптичности εпр и угла наклона φпр гл. оси эллипса поляризации прошедшего излучения от соответствующих характеристик входного излучения (Iвх, εвх, φвх), неоднозначны и обладают ярко выраженными гистерезисными свойствами. Причиной возникновения неоднозначности передаточных характеристик в нелинейных системах является обратная связь. Если фиксированным значениям Iвх, εвх, φвх 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.
В приближении неизменности поляризации излучения, распространяющегося в ОР с нелинейной средой, возможно возникновение неоднозначной зависимости интенсивности проходящей волны Iпр от интенсивности входящей Iвх (рис.). В этом случае О. б. возникает при I1<Iвх<I2. При определённых значениях параметров ОР и нелинейной среды в этом диапазоне существуют две устойчивые ветви зависимости Iпр(Iвх). При плавном увеличении Iвх от нуля до I2 интенсивность излучения на выходе ОР задаётся нижней ветвью зависимости Iпр(Iвх). В точке I2 происходит переход на верхнюю ветвь, и при дальнейшем увеличении Iвх зависимость Iпр(Iвх) становится однозначной. Если плавно уменьшать Iвх от больших значений до I1, то интенсивность на выходе ОР будет определяться верхней ветвью зависимости Iпр(Iвх), а в точке I1 произойдёт переход на нижнюю ветвь, после которого зависимость Iпр(Iвх) становится однозначной. В результате циклич. плавного изменения Iвх от нуля до I2 и обратно передаточная характеристика принимает вид петли гистерезиса, и если I1<Iвх<I2, то интенсивность Iпр может быть либо большой, либо малой в зависимости от того, увеличивается или уменьшается Iвх. 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 Iпр(Iвх). Для каждого Iвх имеется не два, а неск. значений Iпр 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.