基于光-热机制的瞬态双稳态效应在非线性光学和光子学中的应用

式（11-14）中，当入射光脉冲的特征变化时间（Δt0），短于腔积累时间（τc）、腔内材料折射率变化上升时间（τrise）与下降时间（τrelax）三者中任何一个时，将面对瞬态双稳态行为，此情况下的腔内光强Ii（t）和感应折射率变化Δn（t）不再能追随入射光强而发生同步的瞬间变化。与稳态双稳态行为相比，瞬态双稳态行为通常表现为它们的输出/输入特性曲线具有特点：①没有垂直陡变的迟滞回线；②不存在入射光强增加时与下降时工作曲线的部分重叠段；③所观察到的迟滞回线呈现出不规则或蝴蝶状的形式。

在实验中，包含以下两种类型材料的光学双稳装置往往表现为瞬态行为：第一类是液晶或者光折变晶体材料，该类材料的光致折射率变化的上升和下降弛豫时间十分缓慢（很容易大于毫秒量级）［7］；第二类是在工作波长处有较强线性吸收的材料，例如染料溶液或者染料掺杂的聚合物，它们通常具有相对较快的Δn上升时间（可为纳秒量级）但却十分缓慢的下降弛豫时间（可达微秒量级）。因此从快速光电子学应用的角度来说，这两类材料均不适于列入首选。

现在考虑一个采用BDN染料溶液并以波长为532 nm的激光脉冲入射的F-P装置的光-热双稳态行为［56］，BDN通常是一种用于掺钕调Q固体激光器的饱和吸收染料，在1μm波长处有一强而宽的线性吸收带，但在532 nm波长处仍然具有一定的残余吸收。实验中F-P腔由两个反射率为R≈95%的镜面组成，内置长度为5 mm的液盒，内充5×10-6克分子浓度的BDN染料，而考虑到腔内吸收后的有效镜面反射率R'≈30%，入射激光脉冲的脉宽、光谱线宽、重复率以及能量分别为6 ns、0.05 cm-1、1 Hz、几毫焦耳。

图11-14（a）为在4个不同的初始相位因子条件下，由示波器测得的输出（左）和输入（右）脉冲的时间波形。图11-14（b）则是基于图（a）中照片（ⅲ）所示结果绘出的双稳特性工作曲线，从中可以看到有所交叉的不规则迟滞回线的形状。在已知输入脉冲波形的前提下，可以尝试不同的由入射光引起的相位变化函数Δφ（t），然后利用式（11-15）计算出预测的输出脉冲的波形，直到获得与实际透过波形最接近时为止。图11-14（c）所示最佳拟合输出脉冲波形（虚线）是由试探函数Δφ（t）（点划线）所给出的：

式中，b为一个拟合系数。在获得拟合输出脉冲波形的过程中，假定了输入脉冲具有高斯形状的时间波形。对所述具体实例而言，式（11-21）实际上描述了腔内线性吸收染料溶液由光热效应所导致的腔内相位变化随时间的缓慢上升变化过程，并且由于热惰性的缘故，即使当入射光强归于零时，折射率变化仍然继续上升，但从另一角度来说，该实例同时也表明，F-P腔双稳态装置也可作为一种有效的手段，用来研究腔内介质的光致折射率变化的大小和随时间变化的动力学过程。(www.xing528.com)

图11-14　以532 nm脉冲激光入射的含线性吸收BDN染料溶液的F-P腔的瞬态光学双稳态行为［56］

（a）在4种不同初始相位条件下测得的输出脉冲（左）和输入脉冲（右）的示波器波形，时间标尺为10 ns/格；（b）在图（a）（ⅲ）条件下测得的特性工作曲线；（c）最佳拟合输出时间波形曲线（虚线）和所基于的相位变化Δφ（t）曲线（点划线）

后来，其他一些光学双稳态实验，也同样表现出由腔内介质光热效应主导的瞬态行为［61，63，65，66］。考虑到光热效应固有的时间缓变行为以及较差的重复可靠性，在以追求快速开/关功能以及优良可重复性为主的现代光学双稳态研究中，光热效应实际上是应力求避免或克服的一种因素。