ОПТИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ


ОПТИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ
ОПТИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ

- одноиз проявлений самовоздействия света в нелинейных системах с обратнойсвязью, при к-ром определённой интенсивности и поляризации падающегоизлучения соответствуют два возможных устойчивых стационарных состоянияполя прошедшей волны, отличающихся амплитудой и (или) параметрами поляризации. <Передаточные характеристики таких систем, показывающие зависимость стационарныхзначений выходной интенсивности I п, степени эллиптичности 15016-26.jpgи угла наклона 15016-27.jpgгл. оси эллипса поляризации прошедшего излучения от соответствующих характеристикпадающего 15016-28.jpg неоднозначныи обладают ярко выраженными гистере-зисными свойствами. При циклич. адиабатич. <изменении входной интенсивности или поляризации в широком диапазоне бистабильноеустройство функционирует обратимо, причём предыдущее состояние системыоднозначно определяет, какое из двух устойчивых состояний поля реализуетсяна выходе.
Именно обратная связь в нелинейных системахявляется причиной возникновения области значений параметров интенсивностии поляризации падающего излучения, для к-рой передаточные характеристики I п(I,15016-29.jpg),15016-30.jpg(I,15016-31.jpg15016-32.jpg(I,15016-33.jpg )неоднозначны. В ней фиксиров. значениям 15016-34.jpgсоответствует т стационарных состояний поля прошедшего излучения. <Если устойчивы два из них, то в этой области параметров I,15016-35.jpgв оптич. системе реализуется О. б. , если больше - мультистабильность. <Наряду со стационарными состояниями в нелинейной системе с обратной связьюмогут возникать режимы устойчивого, периодич., субгармонич. и хаотич. измененияинтенсивности и поляризации света.
В качестве оптически бистабильных устройствшироко используются: пассивные оптич. резонаторы (ОР), содержащие нелинейныесреды, где обратная связь возникает за счёт отражения от зеркал; системыс распределённой обратной связью (встречные волны непрерывно взаимодействуютво мн. сечениях нелинейной среды); оптоэлектронные гибридные системы, вк-рых обратная связь осуществляется за счёт управления параметрами оптич. <среды электрич. сигналом с детектора прошедшего светового потока. Представляетинтерес безрезонаторная О. б., обусловленная корреляциями пар атомов всильном эл.-магн. поле. Оптич. гистерезис и О. б. возникают также в сложныхактивных лазерных системах.
Бистабильный инжекционный лазер наарсениде галлия был предложен Г. Лашером (G. Lasher) в 1964. Первые экспериментыпо оптич. гистерезису и О. б. в газовом лазере с нелинейно поглощающейячейкой были выполнены В. Н. Лисициным и В. П. Чеботае-вым в 1968. ТеоретическиО. б. в пассивных системах была впервые рассмотрена В. Н. Луговым в 1969при исследовании распространения света через ОР, в к-ром находилась средас нелинейностью рамановского типа. В 1975 - 76 С. Мак-Колл (McColl), X.Гиббс (Н. Gibbs), Черчилл (G. Churchill) и Т. Венкатесан (Т. Venkalesan),используя в качестве нелинейной среды пары натрия, впервые экспериментальнонаблюдали режим О. б. на выходе О. б. Фабри - Перо. Гибридные системы впервыебыли предложены А. А. Кастальским в 1973.
Интерес к устройствам, в к-рых возможнаО. б., объясняется в первую очередь возможностью их применения в качествеминиатюрных, низкоэнергетич. оптич. логич. элементов, работающих при комнатнойтемпературе и обладающих субпикосекундным временем переключения.

Амплитудная бистабильность в пассивномкольцевом ОР. Возникновение О. <б. удобно пояснить на примере кольцевого ОР, содержащего изотропную нелинейнуюсреду. В такой системе возможна абсорбционная и дисперсионная О. б. Перваявозникает, если от интенсивности света зависит коэф. поглощения, вторая- показатель преломления. Рассмотрим дисперсионную О. б. в предположениинеизменности поляризации света в ОР, когда длительность падающего импульса 15016-36.jpgнамного больше времени обхода ОР t р и времени релаксациинелинейности 15016-37.jpg(15016-38.jpg " tp,15016-39.jpg15016-40.jpg).
В этом случае изменение медленно меняющейсяамплитуды линейно поляризов. волны Е (t, z )в нелинейной непоглощающейсреде, помещённой в ОР, описывается ур-ние. <м

15016-41.jpg

Здесь v - групповая скорость, k- волновое число, n0 - линейный показатель преломления. <Зависящая от интенсивности нелинейная добавка п 2 к п0 удовлетворяет релаксац. ур-нию

15016-42.jpg

15016-43.jpg- константа среды. В кольцевом ОР (рис. 1) линейно поляризованное излучение, <проходя через входное зеркало (коэффициент отражения r), падаетв точке z=0 на нелинейную среду длины l. Пройдя через неё,оно частично отражается от выходного зеркала (коэффициент отражения r), полностью- от двух других зеркал и снова попадает в среду. Интегрируя (1), (2) иучитывая граничные условия в точке z = 0, можно получить системуур-ний для поля на входе в среду Е(t, 0) и для нелинейного изменения(набега) фазы 15016-45.jpg(t)при прохождении светового импульса через ОР:
15016-46.jpg

Здесь Е 0 - амплитудападающей волны, Ф 0 = k(n0l + L), l+ L - полная длина ОР. В стационарном режиме система ур-ний (3) сводитсяк трансцендентному ур-нию для поля в ОР (|ED|2= I вх,|Ec|2 = I с):

15016-47.jpg

к-рое легко решить графически. Для этогопредставим (4) в виде системы ур-шш для коэф. пропускания Т с=(1 - r)I с/I вх и полного набегафазы Ф:

15016-48.jpg

15016-44.jpg

Рис. 1. Схема кольцевого оптического резонатора.

Первое выражение описывает кривую пропускания(рис. 2, а). Второе выражение в (5) даёт семейство прямых, исходящих изначала координат (для простоты полагаем Ф 0 = 0), наклон к-рыхменяется с изменением интенсивности падающего света. Точки пересеченияобоих графиков дают решение ур-ния (4).
15016-49.jpg

Рис. 2. Амплитудная оптическая бистабильность: а - графическое решение уравнений (5); б - зависимость интенсивностисвета на выходе оптического резонатора от интенсивности линейно поляризованнойнакачки.
При малых и достаточно больших I вх оно единственно (соответственно точки А и L). При интенсивностяхпадающего света, удовлетворяющих неравенству 15016-50.jpgу ОР появляются три рабочие точки (C, Е. G). Граничным интеисивностямсоответствуют прямые 15016-51.jpgи 15016-52.jpg Линеаризовав(3), можно показать, что если 15016-53.jpg" tm , топри интенсивностях 15016-54.jpgиз трёх рабочих точек только две, лежащие соответственно на участках BD и кривой пропускания ( С и G), являются устойчивымиотносительно плосковолновых возмущений той же поляризации. Рабочие точки, <лежащие между D и F на кривой пропускания (напр., Е), оказываютсянеустойчивыми.
При адиабатич. изменении I вх меняется показатель преломления нелинейной среды, а следовательно, и оптич. <длина ОР. Возникающая из-за этого фазовая отстройка ОР от нач. состоянияприводит к изменению выходной интенсивности. При увеличении входной интенсивностирабочая точка движется по устойчивой части кривой пропускания до точки D(I ВХ = I б2). В ней стационарноерешение становится неустойчивым и происходит переход в устойчивую точку К. При дальнейшем увеличении I вх рабочая точкадвижется по устойчивому участку KL кривой пропускания. Уменьшаявходную интенсивность, оптич. систему можно вернуть в нач. состояние (точка А). При этом рабочая точка движется сначала по устойчивой частикривой пропускания LKGF. В точке F(I вх=15016-55.jpg) выходнаяинтенсивность резко уменьшается - система переходит в положение В. Дальнейшееуменьшение I вх снова связано с движением по устойчивомуучастку ВА кривой пропускания. В результате циклич. изменения входнойинтенсивности передаточная характеристика I п(I вх)= (1 - r)I с,15016-56.jpg15016-57.jpgпринимает вид петли гистерезиса (рис. 2, б )и если I вх лежит между 15016-58.jpgи 15016-59.jpg тоинтенсивность на выходе может быть либо большой, либо маленькой в зависимостиот того, каким образом изменяется интенсивность (увеличивается или уменьшается).Такое бистабильное поведение лежит в основе двоичных переключающих устройств(см. Оптические компьютеры).
О. б. наблюдается в пассивных ОР с разл. <нелинейными средами: атомными парами, изотропными средами, жидкими кристаллами, <полупроводниками и т. д.

Поляризационная О. б. Распространениеинтенсивного излучения в среде сопровождается изменением его поляризации. <Это происходит даже при распространении вдоль оптич. оси, когда для излучениямалой интенсивности поляризация не меняется в отсутствие гиротропии. Дляраспространяющегося вдоль оптич. оси высокоинтенсивного излучения, поляризованного, <напр., в плоскости симметрии, часто возникает поляризац. неустойчивость:малые поперечные добавки к вектору Е усиливаются по мере распространенияизлучения. Такая неустойчивость появляется, в частности, в прозрачной изотропнойсреде с кубич. нелинейностью, где нелинейная поляризация имеет вид

15016-60.jpg

и малые поперечные добавки к Е нарастаютв интервале А2sin215016-61.jpg - разностьфаз слабой и сильной компонент поля.
Если такая поляризационно-неустойчиваясреда помещена в ОР. то флуктуации поляризации могут нарастать во времени. <В стационарном режиме прошедшее через ОР излучение оказывается в одномиз двух симметричных состояний, отличающихся знаком угла поворота эллипсаполяризации относительно исходного направления и направлением вращениявектора напряжённости поля. Линейной поляризации падающего на ОР излучения(I вх,15016-63.jpg= 0,15016-64.jpg= 0) соответствуют два возможных набора устойчивых значений параметров I п i,15016-65.jpgи 15016-66.jpg (i= 1, 2), причём 15016-67.jpgи 15016-68.jpg15016-69.jpg.Это соответствует поляризац. О. б. Полный анализ О. б. с учётом измененияполяризации излучения весьма громоздок, поскольку он сводится к анализузависимости интенсивности I п и двух параметров поляризации 15016-70.jpgпрошедшего излучения от соответствующих характеристик надающего. Однакоуказать область параметров оптич. системы, при к-рых возможна О. б. илимультистабильность, а также качественно понять, как проявляется О. б.,можно из анализа вида бифуркац. поверхности - поверхности в пространствепараметров падающего излучения, на к-рой меняется число стационарных состоянийполя в нелинейном ОР. Она определяется из ур-ния

15016-71.jpg

где D (I,15016-72.jpg,15016-73.jpg)= д (I,15016-74.jpg,15016-75.jpg)/д(I п 15016-76.jpg,15016-77.jpg).Подставляя (4) в (7), можно получить явные выражения для 15016-78.jpgи 15016-79.jpg (см. выше). Вопрос об устойчивости стационарных состояний, появляющихсяпри пересечении бифуркац. поверхности, решается на основе анализа временныхур-ний, аналогичных (3), учитывающих изменение поляризации волны при распространении.
Насколько учёт эффектов поляризац. самовоздействияусложняет передаточные характеристики оптически бистабильных устройств, <видно на примере распространения плоской монохроматич. волны через кольцевойОР с изотропной нелинейной средой. В этом случае вместо двух ур-ний системы(3) исходной для численного анализа является система четырёх ур-ний длямедленно меняющихся амплитуд циркулярно поляризов. волн E±(t )и соответствующих им нелинейных изменений фазы 15016-80.jpgНа рис. 3 приведено стационарное решение системы для линейно поляризов. <волны, падающей на ОР, при определённых параметрах последнего. Для каждогоконкретного значения I вх имеется неск. значений I п (рис. 3, а, отд. ветви помечены цифрами), для к-рых на рис. 3 (б) и 3 ( в )можно определить соответствующие значения 15016-84.jpgи 15016-85.jpg Области устойчивостипоказаны только на рис. 3 ( а). Здесь сплошной линией изображенырешения, устойчивые в двух предельных случаях (tp <<15016-86.jpgи t р15016-87.jpg),штрихами - неустойчивые, точками - устойчивые в первом, но неустойчивыево втором.
15016-81.jpg

Рис. 3. Передаточные характеристики кольцевогооптического резонатора с нелинейной гиротропной средой при наличии поляризационногосамовоздействия: а - зависимость I п(I вх);б -15016-82.jpg(I п); в-15016-83.jpg(I п). Цифрамипомечены различные ветви оптической бистабильности.

Устройства с поляризац. О. б., в к-рыхкодировка сигнала осуществляется состоянием поляризации света, в ряде случаевимеют преимущества перед амплитудными: в них возможно достижение большегоконтраста при переключении между устойчивыми состояниями без ощутимой потериинтенсивности волны.

Прохождение светового импульса черезнелинейный ОР. Если макс. интенсивность падающего на ОР импульсаудовлетворяет неравенству 15016-88.jpgто в процессе распространения его форма и длительность меняются. Это происходитнаиб. сильно, если обусловленная n2 поправка к собств. <частоте ОР становится сравнимой с шириной межмодового интервала. Системаур-ний, описывающая трансформацию импульса в кольцевом ОР с изотропнойнелинейной непоглощающей средой в приближении неизменности поляризациисвета, отличается от (3) лишь тем, что Е 0 теперь зависитот времени. Числ. решение этой системы даёт многочисл. примеры измененияформы и длительности светового импульса при прохождении ОР. Наиб. частоэти изменения состоят в компрессии, преобразовании фор. <мы (рис. 4), сдвигевершины импульса, прошедшего ОР, относительно падающего импульса, в появлениинерегулярных осцилляции на временной огибающей. Зависящий от интенсивностиповорот эллипса поляризации можно также использовать для формирования импульсазаданной формы, т. к. состояние поляризации 15016-92.jpgменяется во времени.

15016-89.jpg

Рис. 4. Изменение формы импульса в резонатореФабри - Перо, заполненном жидким кристаллом МББА: 1 - импульс накачки;2 - импульс, выходящий из оптического резонатора;15016-90.jpg=62 нс, t р = 0,11 нс,15016-91.jpg=15нс.

Периодические и хаотические режимы принемодулированном входном сигнале. Границы областей устойчивости стационарныхсостояний поля чувствительны к изменению параметров нелинейной оптич. системыс обратной связью. Если стационарное решение неустойчиво, то в системемогут возникать автоколебания, а при наличии запаздывания (t р 15016-93.jpg0) и специфич. динамич. режим, при к-ром поле на выходе меняется хаотическиво времени. Напр., в кольцевом ОР при r- 0,3,15016-94.jpgи 15016-95.jpg стационарныерешения ур-ния (3)

I с =1,79 (при I вх=6,7),I с = 2,07 (при I вх = 11,6)

становятся неустойчивыми при t р=3,515016-96.jpg. Приэтом в нервом случае происходит периодическое (рис. 5. я), а во второмслучае хаотич. изменение интенсивности поля I п(t) = (1- r) |E(t)|2 в ОР (рис. 5, б).
15016-97.jpg

Рис. 5. Режимы периодического и хаотическогоизменений интенсивности света на выходе кольцевого ОР с нелинейной средой: а - при I вx = 6,7; б - при I вх=11,6.

В отсутствие полярпзац. самовоздействияпо мере уменьшения добротности ОР и отношения 15016-98.jpgнеустойчивыми в определ. области интенсивностей оказываются всё более низколежащиеветви I П(I РХ). Поляризац. самовоздействиеприводит, с одной стороны, к увеличению числа ветвей пропускания, а с другой- к возникновению автоколебаний, не связанных с конечностью tp. Приувеличении I вх или изменении параметров ОР наличие запаздывания(t р 15016-99.jpg0) приводит к существованию последовательности бифуркаций удвоения периодаколебаний I п(t),15016-100.jpg и 15016-101.jpg.Качеств. проявлением полярпзац. самовоздействия в условиях оптич. хаосаявляется "обобществление" хаотич. движения, отвечающего разл. ветвям пропускания. <При этом область изменения I п(t),15016-102.jpgи 15016-103.jpg охватываетстационарные состояния, принадлежащие разл. ветвям и оказывающиеся неустойчивымив результате конечности tp или поляризац. самовоздействия.
Другие схемы обратной связи. Наиб. широкораспространены оптоэлектронные (гибридные) системы, гл. частями к-рых являютсяэлектрооптич. кристалл и электрич. цепь обратной связи. Величина электрич. <поля, прикладываемого к кристаллу, зависит от интенсивности прошедшегосвета. Ур-ниe для амплитуды световой волны, прошедшей гибридную систему, <аналогично (3) при 15016-104.jpg= 0, поэтому в ней О. б., периодич. и хаотич. режимы изменения выходнойинтенсивности такие же, как и в кольцевом ОР с нелинейной средой. Гибриднаясистема является плосковолновым, чисто дисперсионным и хорошо управляемымустройством, к-рое удобно использовать для изучения общих свойств оптическойбистабильности.
О. б. возникает также при взаимодействиивстречных волн в нелинейных средах, в схеме обращения волнового фронта, в гофриров. волноводах, при отражении от границы раздела междулинейной и нелинейной средой, при взаимодействии встречных волн. ВозможнаО. б. в холестерич. жидком кристалле в результате светоиндуциров. измененияшага структуры для волн в брэгговском режиме взаимодействия, а также вслучае, когда обратная связь возникает благодаря межатомным корреляциям.

Применение. О. б. является фактическиоптич. аналогом тех электронных гистерезисных явлений, к-рые использовалисьпри создании ЭВМ. Запись элементарной информации может происходить, напр.,с помощью нелинейного ОР, работающего в бистабильном режиме (рис. 2, б).Так, устойчивые стационарные состояния поля, к-рым соответствуют рабочиеточки G и С (соответственно интенсивности I П1 и I П2), могут считаться нулём и единицей в двоичной системе. <Под действием управляющих импульсов возможны переключения между ними. Вчастности, переход из нижнего устойчивого состояния в верхнее обеспечиваетсяодним импульсом с достаточно большой пиковой интенсивностью, если он распространяетсяпараллельно осн. волне. При этом нач. выходная интенсивность I П2 сначала возрастает до значения, соответствующего точке L, а затемуменьшается до I П1. Оптически бистабильные устройствамогут стать базовыми элементами систем оптической обработки информации, оптич. логич. и компьютерных систем ( см. Оптические компьютеры, <Памяти устройства. Логические схемы).

Лит.: Луговой В. Н., Нелинейныеоптические резонаторы (возбуждаемые внешним излучением). Обзор, "Квантоваяэлектроника", 1979, т. 6, с. 2053; Аракелян С. М., Оптическая бистабильность, <мультистабильность и неустойчивости в жидких кристаллах, "УФН", 1987, т.153, с. 579; Гиббс X. М., Оптическая бистабильность. Управление светомс помощью света, пер. с англ., М., 1988; Великович А. Л., Дыкман М. И.,Макаров В. А., Бистабильность, автоколебания, хаос при поляризационномсамовоп-дейстиии света в резонаторах, "Изв. АН СССР, сер. физ.", 1989,т..53, № 6, с ..1088; Розанов Н. Н., Федоров А. В., XодоваГ. В., Эффекты пространственной распределенности в оптической бистабильностии оптические вычисления, там же, с. 1083; Желудев Н. И., Поляризационныенеустойчивость и мультистабильность в нелинейной оптике, "УФН", 1989, т.157, с. 683.

В. А. Макаров.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ОПТИЧЕСКАЯ БИСТАБИЛЬНОСТЬ" в других словарях:

  • ОПТИЧЕСКАЯ ОРИЕНТАЦИЯ — 1) парамагнитных атомов упорядочение с помощью анизотропного оптического излучения направлений механич. моментов и связанных с ними магн. моментов парамагн. атомов газа. Открыта франц. физиком А. Кастлером в 1953. О. о. явл. частным случаем… …   Физическая энциклопедия

  • НЕЛИНЕЙНАЯ ОПТИКА — раздел оптики, охватывающий исследования распространения мощных световых пучков в тв. телах, жидкостях и газах и их вз ствия с в вом. Сильное световое поле изменяет оптич. хар ки среды (показатель преломления, коэфф. поглощения), к рые становятся …   Физическая энциклопедия

  • ОПТИЧЕСКИЕ КОМПЬЮТЕРЫ — интенсивноразрабатываемое в 1980 90 е гг. новое поколение вычислит. техники (компьютеров)на основе использования оптич. излучения в качестве носителя информации …   Физическая энциклопедия

  • ПАМЯТИ УСТРОЙСТВА — (запоминающиеустройства) в вычислит. технике (см. Электронная вычислительная машина )устройства для записи, хранения и воспроизведения информации. В качественосителя информации может выступать физ. сигнал, распространяющийся в среде …   Физическая энциклопедия

  • НЕЛИНЕЙНЫЕ ВОСПРИИМЧИВОСТИ — тензорные коэффициенты, связывающие нелинейную часть поляризации Р = Р л + Р нл единичного объёма среды, возникающую под действием сильных электрических (в частности, световых) полей, с величинами напряжён ностей этих полей [1,2,3].… …   Физическая энциклопедия

  • Ахманов, Сергей Александрович — У этого термина существуют и другие значения, см. Ахманов. Сергей Александрович Ахманов Дата рождения: 14 июля 1929(1929 07 14) Место рождения: Москва Дата смерти: 1 июля 1991 …   Википедия

  • НЕРАВНОВEСНЫЕ ФАЗОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ — переходы многочастичных систем, находящихся вдали от термодинамич. равновесия, в стационарные состояния с дространств. или временной когерентностью. Н. ф. п. связаны с потерей устойчивости исходного бесструктурного состояния, являющегося… …   Физическая энциклопедия

  • ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ — воздействие результатов к. л. процесса на его протекание. Если при этом интенсивность процесса возрастает, то О. с. наз. п о л о ж и т е л ь н о й, а в противопол. случае о т р и ц а т е л ь н о й. Отрицат. О. с. может обеспечить автоматич.… …   Физическая энциклопедия

  • Белкин, Сергей Николаевич — Сергей Николаевич Белкин (род. 1950, Ярославль) русский писатель, кандидат физико математических наук, секретарь правления Союза писателей России.Окончил физический факультет Кишинёвского государственного университета им. В. И. Ленина по кафедре… …   Википедия