[科普中国]-光折变晶体

光折变晶体是实时光信息处理和全息数据存储应用中最诱人的材料之一，它同时具有电光效应和光电导特性，集光电探测功能和电光调制功能于一体。光折变晶体可以构成单一工作介质的空间光调制器，由于结构简单、工艺可控性强，同时具有对比度及空间分辨率高，以及具备三维全息图像存储等优点，因而得到了广泛重视

光折变效应上世纪六十年代中期，美国贝尔实验室在用铌酸锂晶体进行高功率激光的倍频转换实验时，观察到晶体在强激光照射下出现可逆的“光损伤”现象。由于这种效应伴随着折射率的改变，此种“光损伤”是可擦除的，将这一效应称作光折变效应。其含义是指材料在光辐射下，通过光电导效应形成空间电荷场，由于电光效应引起折射率随光强空间分布而发生变化的效应。在光折变效应中折射率的变化和通常在强光场作用下所引起的非线性折射率的变化机制是完全不同的。光折变效应是发生在电光材料中的一种复杂的光电过程，是由于光致分离的空间电荷产生相应空间电荷场，由于晶体的电光效应而造成折射率在空间的调制变化，形成一种动态光栅，由电光效应形成的动态光栅对于写入光束的自衍射引起光波的振幅、位相、偏振甚至频率的变化，从而为相干光的处理提供了全方位的可能性。1

光折变效应的特点第一个特点是光折变效应和光强无关。入射光的强度，只影响光折变过程进行速度。 因为光折变效应是起因于光强的空间调制，而不是绝对光强作用于价键电子云发生形变造成的。这种低功率光致折射率变化为人们提供了在低功率激光条件下观察非线性光学现象的可能性，并为采用低功率激光制作各种实用非线性光学器件奠定了坚实的基础。

第二个特点是其非局域响应，通过光折变效应建立折射率位相光册是需要时间的，它的建立不仅在时间响应上显示出惯性，而且在空间分布上也是非局域响应的。在光折变晶体中形成的动态光栅相对于作用光的干涉条纹有一定的空间相移，当这一相移达到π/2时，将发生最大的光能不可逆转移。此时的光栅又称相移型光栅，利用这一光栅，允许将泵浦光能向信号光或相位共扼波转移，开辟了利用非线性作用放大信号光的一条新途径。理论和实践证明，利用光折变效应进行光耦合，其增益系数可以达到10~100cm2量级。此外，如果在这种光放大器上加上适当正反馈，还可以在光折变晶体中形成光学振荡，这是一种基于经典光学的干涉、衍射和电光效应实现的一种新型的相干光放大形式。

光折变效应的形成过程光折变效应由三个基本过程形成：

①光折变材料吸收光子而产生分布不均匀的自由载流子(空间电荷)；

②空间电荷在介质中的漂移、扩散和重新俘获形成了空间电荷的重新分布并产生空间电荷场；

③调制的空间电荷场再通过线性电光效应引起折射率的调制变化，即形成折射率的光栅。作为一种光折变材料，、须具有光电导性能，即能够吸收人射光子并因此产生可以迁移的光生载流子，材料本身具有非零的电光系数。1

光折变晶体分类(1)铁电体氧化物光折变晶体。包括BaTiO3、SBN、LiTaO3、KNSBN、LiNbO、KNbO、KTN等类晶体。

①钙钛矿铁电氧化物晶体。

②钨青铜型光折变晶体，

(2)非铁电氧化物光折变晶体。主要包括硅酸铋、锗酸铋及钛酸铋等，这此晶体具有顺电电光和光导特性。采用熔体法生长可以获得大尺寸、高质量的单晶。晶体属立方结构，无外加电场时晶体为各向同性，但在电场作用下表现出双折射，不为零的电光系数。BTO晶体与BSO、RGO晶体具有相同的结构，但它有更优越的光折变性能。BTO晶体具有大的电光系数。三种晶体的电光系数虽然较铁电体光折变晶本的小，光折变效应也弱得多，但由于它们属光导型材料，具有很快的响应速度等特点，采用外加直流或交流电场增强它们的光折变效应的强度，在各类应用中获得了成功。

(3)半导体光折变晶体。铬掺杂的GaAs、铁掺杂的InP及CdTe等，具有大的电荷迁移率、高的光电导、光折变响应速度很快、响应的波段在0.95~1.35pum，电光系数很小，必须利用外加电场来增强其空问电荷场以获得较强的光折变效应。半导体材料的迁移率、光电子寿命以及迁移特征长度都依赖于外电场。如在GaAs中外加交变电场时可能会导致电荷迁移率与寿命之积的大幅度减小，而在CdTe中外加电场强度超过13kV/cm时也会导致电荷迁移率的下降，电荷寿命会增加。半导体材料中杂质离子及其不同价态对光折变效应有重要作用。

(4)量子阱光折变材料。量子阱材料中的电场共振增强作用可以形成非常大的平方电光效应，从而有效地导致材料折射率的改变。利用分子束外延获得的多量子阱材料的结构。1

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学