tm掺杂激光晶体荧光双稳特性分析

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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文图1．1非线性F-P标准具光双稳器件的变化。在光腔的反馈作用下，这种变化形成正反馈过程，输出光强这种变化形成正反馈过程，输出光强产生光学双稳开关操作。光学双稳器件的输入．输出关系类似于磁滞回线，如图1．2所示，以一定光强的激光作为输入，对于某个输入状态五，经过系统后输出的光强存在两个不同的稳定状态^和尼。I哪t厶I；Ih．图1．2光学双稳态特性曲线1．2光学双稳器件的分类能实现光学双稳态的光学器件称之为光学双稳态器件，简称为OBD(OpticalBistableDevice)。它一般是由非

2、线性介质、反馈系统和外界入射光源二个要素组成。光学双稳装置可以按不同方式分类【13,141。l、按反馈控制方式不同，可以将光学双稳态装置分成全光型和光．电混合型两大类。2哈尔滨工程大学硕士学位论文本征型器件的典型装置是由含有非线性介质的法珀标准具构成的。如图1．1所示，对入射其内的光就有自洽的光学反馈作用，所以也叫全光型。本征型双稳态装置的优点是可获得较快的动态响应特性，缺点是需要较高的入射光强，用以感知折射率的变化。光．电混合型要配备辅助的光．电反馈系统，其典型装置则是由光电调制器、光电探测器和放大器组成。如图1

3、．3所示，从透射光中取出部分光信号，通过探测器转变为电信号，放大后加在调制器上构成光电反馈。其优点是可以在很低的入射光强水平下工作，缺点是增加了光．电反馈控制线路，而且响应时间受到控制线路的限制。放大器探测器图1．3混合型光双稳器件2、按入射光与介质相互作用的不同机理可分为吸收型和色散型两大类。吸收型的工作原理是介质的吸收系数在强光作用下达到最大的现象。典型的器件是在标准具中置入可饱和吸收体。在强光作用下介质的吸收系数随光强发生非线性变化，色散型的工作原理是介质的折射率在强光作用下发生变化。典型的器件是含有光学非线

4、性介质的F．P标准具。3、按入射光频率与非线性介质的某一吸收中心频率是否重合，又可将光学双稳态装置分为共振型、准共振型和非共振型三大类。对于共振型装置，入射光的频率等于非线性介质某一吸收中心频率；对于准共振型，两者频率接近，但不准确重合；两者频率既不相等也不接近的，属非共振型。4、按双稳态实现的入射波长是固定的还是可调谐的，又可将光学双稳分3哈尔滨工程大学硕士学位论文为强度型光学双稳和频域光学双稳。强度型双稳使用波长固定的激光器作为光源(即入射波长固定)，通过改变光强来实现光学双稳，如图1．2所示，其中虚线部分不稳

5、定，当输入信号较弱时，输出很弱(“关’’的状态)，当输入信号逐渐增强到～定数值时，输出光强发生跳跃式的增强(“开’’的状态)。频域光学双稳(或光谱域光学双稳)一般要求光源是可调谐的，也可以使用可调谐激光器，可理解为：当非线性调制曲线和反馈曲线均在频域上时(即曲线横轴为频域或波长)，利用可调谐光源实现不同的波长对应两个稳定而有区别的输出状态或者两个稳定而有区别的输出状态对应不同波长的光学双稳【15-26]。、频域光学双稳态原理框图如图1．4所示。光源图1．4频域光学双稳原理框图5、按光学系统是否存在光学腔反馈，又可将

6、光学双稳态分为有腔型和无腔型光学双稳态。传统的光学双稳器件通常具有光学腔(如F．P谐振腔、光纤／波导环形腔或光子晶体微腔等)，光学腔的作用是产生光场囚禁和反馈机制的。丽无腔型光学双稳态则不需要引入光学腔，其非线性和反馈均来自于非线性光学介质内在的微观作用机制(如洛伦兹局域场修正效应、增强吸收效应和本征热相变效应等)，因此又称之为本征型光学双稳态。光学双稳装置还能按介质的不同性质、状态、结构加以分类。如原子分子气体、液体、晶体、液晶、溶胶、半导体、有机材料、等离子体，以及体、4哈尔滨工程大学硕士学位论文薄膜、波导、光

7、纤、量子限制材料等。也可按器件的各种非线性光学效应加以分类。总之，光双稳器件如同激光器一样有众多的种类。传统的典型光学双稳器件和激光器同样都具有光学谐振腔，激光器的谐振腔理论完全适用于光学双稳器件。与激光理论一样，光学双稳理论也有经典理论，半经典理论和速率方程理论等。1969年Sz6ke等人首先在理论上预言了吸收型光学双稳的存在【2刀。利用速率方程理论，他们导出了光通过含饱和吸收体的标准具时输出光强和输入光强之间的双稳关系，并给出了产生光学双稳的阈值条件。1975年贝尔实验室的Gibbs和McCalI等人首先在含N

8、a蒸气的法布里．珀罗(F-P)腔中进行实验时发现了色散型光学双稳澄J，并用F-P标准具理论计算了态方程和闽值条件。1976年意大利的Bonifaeio和Lugiato等人发表了半经典平均场理论129]，用于解释吸收型光学双稳。他们将描述光波在非线性介质中传输的二阶波动方程及二能级体系的薛定谔方程通过各种近似变成三个分别描述二能级体系的吸收，色散和粒子数反转的