基于光诱导黑体效应实现本征光学双稳态的方法及其应用

本发明属于光学，具体涉及基于光诱导黑体效应实现本征光学双稳态的方法及其应用。

背景技术：

1、光学双稳是非线性光学中一个十分重要的现象；基于光学双稳原理的器件是实现光开关、光存储、光逻辑运算的基本部件，在光通信和全光计算机研发等领域有着广阔的应用。稀土材料中的光学双稳研究是近年来刚刚兴起的一个新课题。它利用稀土离子的多光子上转换发射特性，在没有谐振腔的情况下实现光学双稳，因此也被称作本征光学双稳(iob)。没有光学谐振腔的本征光学双稳为实现全光逻辑器件高度集成带来了新的途径。

2、许多有前景的应用依赖于光的双稳态和基于光双稳的光开关。例如:全光逻辑器件、量子计算机、数据光存储、全光通信控制等。在发现本征光学双稳现象之前，为了获得光学双稳性，必须有一个光学反馈腔。早在1979年，bowden和sung就首次从理论上处理了凝聚态介质的本征双稳定问题。1994年，hehlen和güdel首次观测并报道了基于镧系yb3+离子的本征双稳态发光。他们在cs3y2br9:10％ yb3+晶体上进行实验，监测耦合yb3+离子对的合作发光。此后，在yb3+离子掺杂的溴化物晶体1％ yb3+:cscdbr3,10％ yb3+:cs3lu2br9和cs3yb2br9)，yb3+-和tm3+-共掺杂的硅酸盐玻璃，yb3+-和er3+共掺杂的cscdbr3晶体，yb3+掺杂的氧化物晶体，yb3+掺杂的linbo3:mgo晶体和cr离子掺杂的氟铝钙锂石晶体中观察到合作发光的本征光双稳和光开关现象。越来越多的论文旨在从理论上或机制上对本征光双稳进行合理的解释。总结这些实验和理论工作，提出的机制是(a)极化布居耦合的洛伦兹局域场校正，(b)yb3+离子掺杂体系中的温度依赖吸收，(c)tm3+-和yb3+-共掺杂玻璃中的雪崩布居和能量转移，(d)cr离子掺杂晶体中的热诱导发光猝灭，(e)yb3+离子的电子自由度与[ybbr6]3-配位单元的a1g振动局域模之间的耦合。两种主要的理论方法被用于处理本征光双稳现象。一种是密度矩阵方法，该方法基于对系统在可逆内外相互作用影响下的动力学过程的量子力学描述。利用这种方法，并考虑适当的弛豫项，理论上可以在上述yb3+掺杂体系中再现本征光双稳。另一种是能态布居的速率方程法，通过考虑系统的迁移速率，可以将不同能级的布居变化速率联系起来。

3、用速率方程处理稀土离子与各种声子辅助物理过程之间能量迁移所引起的激发态的居宗和去居宗是非常方便的。类似地，利用速率方程方法，研究人员从理论上再现并预测了yb3+掺杂体系、yb3+-和ho3+-共掺杂体系以及yb3+-和tm3+-共掺杂体系中的本征光双稳效应。然而，这些解释和形式主义描述都没有提供一个真实而有力的微观物理机制，特别是对于室温下发生的tm3+发光的本征光双稳，它在全光学器件中有潜在的应用。2004年，auzel在yb3+激发态下得出了稀土离子对re-re能量转移的本征光双稳和热雪崩。但是，需要注意的是，在yb3+掺杂晶体中只能在低温(<35k)下观察到本征光双稳，但在yb3+-和tm3+-共掺杂玻璃中可以在室温下获得本征光双稳。

4、稀土离子掺杂晶体的本征光学双稳在全光器件中有着巨大的潜在应用价值，因此引起了研究者们的高度观注。2004年，著名物理学家auzel在《化学评论》中对稀土离子的本征光学双稳现象也进行了研究与解释，他认为本征光学双稳源于稀土离子之间的能量传递和yb3+离子激发态的热雪崩过程。然而值得注意的是，在单掺yb3+的晶体中本征光学双稳现象只能在低温下(<35k)观察到，但在yb3+－tm3+共掺杂体系中本征光学双稳现象可以在室温下发生。直至今日，对此间的不同还没有人能够给出合理的、有说服力的理论解释。另外，在已经发表的论文中，所观测到的本征光学双稳现象均发生在块状宏观尺寸材料里，所涉及的频率上转换过程全部为双光子过程或三光子过程。目前，基于镧系离子f-f跃迁的本征光学双稳实现的条件比较苛刻，如只能在低温下(<35k)观察，荧光较弱不易测量，要求材料具有很高的化学纯度。基于上述原因，国际上有关稀土本征光学双稳的研究还暂时停留在材料的寻找和机理的探讨层面上，关于器件的研究很难开展起来。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在本征光学双稳实现的条件比较苛刻、只能在低温下(<35k)观察、荧光较弱不易测量、要求材料具有很高的化学纯度的问题，本发明提供了一种基于光诱导黑体效应实现本征光学双稳态的方法及其应用，该方法通过激光照射引起材料发生光诱导黑体效应。当照射激光的功率密度达到或超过光诱导黑体效应发生的阈值时，材料的光学吸收和光发射在很宽波段(200nm～2500nm)范围剧烈增加，呈现出光子雪崩吸收和发光的特征。在双光束激光照射的情况下，适当地选择两束激光的功率，可以构造本征光学双稳态发光和双稳态散射。

2、本发明通过如下技术方案实现：

3、一种基于光诱导黑体效应实现本征光学双稳态的方法，包括如下内容：

4、选取两束激光作为激发光对光诱导黑体吸收材料进行激发；

5、其中，所述两束激光光源的选取原则如下：

6、第一束激光的功率较大，波长任意；第二束激光的功率较小，其波长与光诱导黑体吸收材料的特征吸收波长一致；两束激光同时照射光诱导黑体吸收材料可产生光诱导黑体效应，但是其中任何一束单独照射光诱导黑体吸收材料都不会产生光诱导黑体效应。

7、进一步地，所述光诱导黑体吸收材料对第二束激光可产生不少于0.1％的光吸收。

8、进一步地，若光诱导黑体吸收材料中含有yb3+离子，第二束激光光源的波长是-980nm；若光诱导黑体吸收材料中掺含有er3+离子，第二束激光光源的波长是-1530nm；若光诱导黑体吸收材料中含有nd3+离子，第二束激光光源的波长是-1064nm；若光诱导黑体吸收材料中含有cdse量子点，根据量子点尺寸的不同，第二束激光光源的波长是400-600nm；依此类推，从而使材料在发生光致黑体效应发生时其光吸收系数在宽波段范围大于90％。

9、进一步地，所述宽波段为200nm～2500nm。

10、进一步地，所述光诱导黑体吸收材料包括氧化物、氟化物、mref4、混合纳米结构或碳基材料；其中，m为li、na、k或ba；所述氧化物包括y2o3、la2o3、lu2o3、gd2o3、yb2o3、zro2、y3al5o12、ca12al14o33、y2si2o7、y4zr3o12、yvo4、sr2ceo4、gd3ga5o12、yb3al5o12、ndalo3、pro2或bacusi4o10；所述氟化物包括yf3、laf3、luf3、gaf3或ybf3；所述mref4包括nayf4、lilaf4、baluf4或kgdf4；所述混合纳米结构包括ag-sio2-er2o3、yb2o3/au、nd2o3/au或gd2o3/au；所述碳基材料包括石墨烯、碳纳米管或单层石墨烯。

11、进一步地，所述方法，具体包括如下步骤：

12、步骤一：光致黑体材料薄片的制备；

13、将5mmoly2o3粉样放入直径12mm的片模，用bj-15平板压片机加压至8t，保持压力20s，释放压力，取出片样；

14、步骤二：利用两束激光同时照射诱导材料，使其产生光诱导黑体效应；

15、用一束20w的980nm激光聚焦在y2o3材料薄片上，调节另外一束5w的980nm激光聚焦在同一点上；当只打开20w的980nm激光时，薄片样品没有发光，再打开5w的980nm激光，y2o3材料薄片进入光诱导黑体吸收和黑体辐射状态；此时关闭5w的980nm激光，只保留一束20w的980nm激光照射，y2o3薄片样品保持在光诱导黑体辐射状态；如果此时暂短地遮挡20w的980nm激光，遮挡时间短于1秒，y2o3薄片样品瞬间退出光诱导黑体辐射状态，进入到不发光的状态。

16、另一方面，本发明还提供了一种基于光诱导黑体效应实现本征光学双稳态的方法在构造光双稳器件方面的应用，具体包括如下内容：

17、基于光诱导黑体效应的光双稳器件由光诱导黑体材料、两束激光光源、两个光探测器组成；两束激光照射在光诱导黑体材料的同一点上，两个光探测器分别收集材料的发光和散射激光，收集散射激光的探测器与激发光源呈镜像配置。

18、进一步地，所述光双稳器件可通过串联和并联方式构造多级光集成器件。

19、与现有技术相比，本发明的优点如下：

20、1、材料可选范围广，对材料的纯度没有很严格的要求，很多种类的材料都可以利用光诱导黑体效应的方式产生新的能态，从而引起光吸收和光辐射的剧烈增强，并进一步地产生本征光学双稳；

21、2、不取决于激发光的波长，理论上任何波长的光都可以作为激发光来对材料进行光诱导光致黑体效应，从而使材料产生本征光学双稳态；

22、3、基于光诱导黑体效应的本征光学双稳表现为发光强度双稳和散射激光强度双稳两种方式。因此，检测发光强度或检测散射光强度都可以获得双稳态数据。

23、4、光诱导黑体效应产生的光辐射强度与材料散射激光的光强都远大于f-f跃迁的发光强度，因此基于光诱导黑体效应的本征光学双稳测量更加容易，也不需要低温条件。

24、5、光诱导所引起的材料光学吸收增强是宽波段(200nm～2500nm)范围内的增强，经过光诱导后的材料对宽波段(200nm～2500nm)的电磁波都有明显的吸收，因此对第一束激光的波长没有限制。

25、6、与其他本征光学双稳相同，无需光学谐振腔即可实现。