实验七光双稳(Optical

1、實驗七 光雙穩(Optical Bistability目的觀察及了解一 Hybrid光雙穩系統的特性及其原理。光雙穩(簡稱 OB),是 指一光學系統在一輸入光強度有兩個穩定的輸出。OB之產生須下列兩個條件(1) 輸出興輸入之關係為非線性； 回饋(feedback)。參考資料1. Yeh & Yariv, “Optical Waves in Crys有關之 section (pp. 298-303。2. C. S. Lau and J. T. Shy,“A student Experiment on optical bistability” , Am. J.59, 54 (1991)。原

2、理雙穩態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Li严式中二是入射光強，是透射光強，爲吸收係數，為吸收介質的厚度。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一 -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。图1入射光强“ 与透射光菠人的 关系曲致。当心很 高时事出现饱和吸 收圖1b入射光強一與透射光強4的關係曲線表示入射光強與透射光強之間的這 種關係（圖 入射光強二與透射光強的關係曲線中虛線表示無吸收介質情況 厂 可用一個單值函數來表示。图2图示光学双稔态如果把這種二能級原子系

3、統的吸收介質放在法布里-珀羅腔內，如圖2a光學雙 穩態圖示所示，由於吸收過程的非線性和腔的反饋過程的相互作用，入射光強與 透射光強之間的關係就如圖2b光學雙穩態圖示所示：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二時，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 -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

4、態。系統究竟處在什 麼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。事實上在法布里-珀羅腔內的色散介質， 即折射率、'，其中-是非線性折射係數）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，譬如，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應用上比吸收型裝置更為受人重視。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有可能應用在高速光 通信、光學圖像處理、光存儲、光學限幅器

5、以及光學邏輯元件等方面。尤其是用 半導體材料（GaAs ,1 nSb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.1毫瓦/微米）,開關時間短（約10 ' 秒），有可能發展成為未來光計算機的邏輯元件。光學雙穩裝置中不穩定性的研究，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。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。參考書目C. M. Bowde

6、n , et al. , ed. , Optical Bistability , Pie num Press , New York , 1981.步驟我們的實驗系統包括一普通示波器及光二極體（photo-diode）如下圖：photo-diode 及 amplifier 的組合線路：我們的系統中輸出光強度指的是照射在 photodiode上之光強度,輸入光強度指的 是示波器screen上的亮點之亮度,本實驗將討亮點位置及亮點對 photodiode輸出 之影響，此處photodiode輸出之大小即為示波器亮點之高度。1. 將示波器設於x-y mode, photodiode之信號送入另一示波器

7、，測量亮點位置不 同所產生之信號（無feedback之信號）。示波器之screen上的刻度對亮點亮度 有影響，務必將亮點的位置盡可能避開刻度。2. 將photodiode之信號送入y軸。3. 將 sine signal送入 x 軸。4. 觀察由亮點位置改變造成之 0B現象（調整亮點在示波器screen上之水平高度 並記錄波形）。5. 將sine signal送入示波器之z軸以及另一示波器之x軸。6. 觀察由亮點亮度改變所造成之 0B現象。實驗結果與討論以實驗來說，這個實驗並非是真正的光雙穩態，只是模擬其性質而已（一）首先我們先確定其光強度分佈：位置（X Y）X=1 ； Y =未知強度（格x 5

8、Mv ）位置y相對強度位置相對強度位置相對強度位置相對強度位置相對強度1508.576113.5510.5110.388.55.510.533.50.50.310.20.57.510.5592.52.5-1.509.51.57114.5821.5-10.5936.511.546.51.51.5-0.50.3所以強度最大的位置大概是在（1、6.5）（1、6）的附近！當然這是依照每 組所擺放的位置不同而不同的。而到面所看到的0、0.5、0.3基本上都是屬於雜（二）在不瞭解真正實驗目的時，我們以為這個實驗所要看的現象是李沙傑圖形，但其實不全然如此之所以不全然，是因為我們必須調到特定的頻率大小，使的 李沙傑圖形呈現 如右上圖般。（三）在完成上述實驗後，將X軸轉至Z軸（也就是示波器上的光點強度改變） 為了確定是如此，可調慢頻率，可發現螢幕上的光點，會一閃一閃的。調整適當 頻率，使圖形如下圖時，及完成了 Z軸的0B現象。或許你會開始懷疑，那什麼是光雙穩態呢？這時候，無論是第二個實驗OR第三個實驗，你只需要將頻率降至零，讓圖形呈現為光點。你會發現，當