光學雙穩態

光學雙穩態（optical bistability）是指光學系統具有多值性的現象。在一個非線性光學系統中，系統的輸出光強和輸入光強之間會出現類似於磁滯回線的滯後現象。光學雙穩態是出現兩個穩定透射狀態的光學現象。光在二能級原子系統共振吸收時，如低入射光強，滿足比爾定律。在輸入光強 (I) 的某個範圍內（c至d），對應每一輸入光強I有兩個可能輸出光強(I₀) a和b，它依賴於系統所處的歷史狀態。當輸入光強從低值逐漸增加時，系統處在低態b，當輸入光強從高值減小時，系統處在高態a。這種具有多值性的光學系統稱為光學雙穩態。

基本介紹

• 中文名：光學雙穩態
• 外文名：optical bistability
• 簡單定義：光學系統具有多值性的現象
• 特徵：出現兩個穩定透射狀態的光學現象

雙穩態條件

光學系統具有雙穩態的條件：系統必須是非線性的；系統中要有反饋機制。一個常見例子是含有非線性介質的法布里－珀羅腔。

理論意義和套用

光學雙穩態已進行了廣泛研究，包括各種雷射系統，諸如半導體雷射器、塞曼雷射器、有飽和吸收體雷射器、參量振盪器、染料雷射器等的研製；非線性界面上反射和含非線性介質（如Na蒸氣）法布里－珀羅腔或雙向環形腔等被動光學系統探討；光電混合裝置的製作等。光學雙穩態因在協同學和耗散結構中作為遠離平衡態的開放系統的一個典型例子而具理論意義。系統的外界參量改變時，可觀察到自脈衝和混沌現象，成為研究分岔和混沌的有力實驗裝置。由於觀察到“光學渾沌”（在一完全確定的非線性系統中，當改變參量時，出現類似隨機的行為，稱為渾沌）而受到理論物理界的重視，為研究非平衡統計物理提供了一種重要實驗手段。此外，光學雙穩態可製成光學限幅器、光開關等器件，在光計算中得到套用。

光學雙穩態引起人們極大注意的主要原因是光學雙穩器件套用在高速光通信、光學圖像處理、光存儲、光學限幅器以及光學邏輯元件等方面。尤其是用半導體材料（GaAs，InSb等）製成的光學雙穩器件，尺寸小（幾毫米直徑，幾十至幾百微米厚），功率低（10微瓦/微米²—1毫瓦/微米²），開關時間短（約10^－12秒），成為未來光計算機的邏輯元件。

具體說明

光在二能級原子系統共振吸收時，如低入射光強，滿足比爾定律，透射光強與入射光強成正比；但如入射光強很高，就出現吸收的非線性－飽和吸收，明顯地偏離比爾定律。此時，介質變得幾乎透明，因而透射光強幾乎與入射光強一樣大。入射光強與透射光強之間的這種關係，可用一個單值函式來表示。如果把這種二能級原子系統的吸收介質放在法布里－珀羅腔內，由於吸收過程的非線性和腔的反饋過程的相互作用，當入射光強逐漸增加時，透射光強緩慢地單調上升；當入射光強到達某一臨界值時，系統突然透明，透射光強幾乎與入射光強相等；如果這時減小入射光強，則系統會保留在高透射狀態，不經原路線回到低透射狀態；直到入射光強到達另一臨界值時，系統才回到低透射狀態，此時介質又重新變成強吸收體。這種入射光強與透射光強間具有滯後回線的特性，造成在一定區間內的每一入射光強對應透射光強有兩個穩定的狀態：高透射狀態和低透射狀態，這種現象稱為光學雙穩態。系統究竟處於何種透射狀態不僅與入射光強有關，還與過去所處狀態有關。

光學雙穩態概念最早（1969）是在可飽和吸收介質的系統中提出的，並於1976年首次在鈉蒸氣介質中觀察到。隨入射光強而變化的非線性介質，也觀察到光學雙穩態。並且有比吸收介質更為優越的性能，比如，觀察到光學雙穩態的入射光強更低，對光源的線寬沒有更高要求，也沒有吸收引起的熱耗散問題，因而在光學雙穩態的套用上比吸收型裝置更為受人重視。

光學雙穩態除在非線性法布里－珀羅腔內觀察到外，還在諸如光電反饋混合裝置、非線性界面、聲光裝置、自聚焦等實驗中被觀察到。