光折变材料的原理及应用前景

纪源

摘 要：光折变材料是新兴的非线性光学材料，已受到广泛的关注。目前来说，光折变材料应用十分广泛，在例如光信息处理、光信息储存、光图像转换等方面都有着许多应用。正是由于光折变效应具有非线性的光学作用，从被发现开始，就迅速的在非线性光学研究领域占据了一席之地。自二十一世纪以来，许多面向光折变效应和光折变材料的理论异军突起，许多方面的研究都进行的如火如荼。本文首先介绍光折变材料的基本原理光折变效应，其主要由光扇效应、光学二极管、及快速光折变效应组成。再提出光折变材料的应用前景，并相应的做出展望。

关键词：光折变材料；光信息技术；应用

中图分类号：TB34 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）18-0234-01

光折变材料是新兴的非线性光学材料，其原因主要有以下三点：（1）一般的光学材料，想要引起光接收器的显著响应必须要输入足够的功率，而对于光折变材料来说，极小的光输入就足以引起光接收器的显著响应；（2）在通过光折变材料时，光波会与材料之间进行一系列特殊且复杂的效应，如光扇效应等，这些效应的发生可以实时记录光学信息处理，利用此原理，光折变材料目前被应用于光信息储存，图像的识别和转换，实时全息干涉等等。本文首先介绍光折变材料的基本原理光折变效应，其主要由光扇效应、光学二极管、热透镜效应及快速光折变效应组成。再提出光折变材料的应用前景，并相应的做出展望。

1 光折变材料的原理

光折变晶体是指在光辐射作用下通过光生载流子的空间分布使折射率发生变化的晶体。通过将光直射光折射材料，材料中晶体将产生电荷载流子（电子或空穴），由于扩散、漂移、光生伏特等效应单独或综合作用，载流子将在晶体点阵中迁移，直到被陷阱捕获于新的位置。由于产生的空间电荷在晶体中引起了电场强度分布，该电场通过电光效应使晶体的折射率发生相应的改变[1]。光折变晶体中光折变效应主要有：

1.1 光扇效应

光扇效应是光折变材料中常见的一种光效应，当光通过光折变晶体时，光线发生散射，散射光的光强是呈扇状分布，所以称其为光扇效应。而光扇效应中光的散射过程又不同于一般的光的散射，它的散射过程是非对称的。扇形散射光虽然是入射光和散射光的耦合，但光扇现象却经历了一个繁复的多波混合的过程，简单的两波耦合不可以用来解释复杂的光扇现象。同时，散射光的光强受到许多因素的限制，如材料自身的性质差异、入射光的强度、入射光的角度。有实验研究表明[2]，散射噪声严重的晶体，其内部机制的晶格错位就明显，即晶体自身的缺陷是散射光形成的重要因素之一。

1.2 光学二极管效应

在同一通光路径上光强透过率具有明显方向性的光学二极管，是人们希望获得的光学元件。光折变晶体中耦合光束之间能量转移存在着方向性，因此它是制作光学二极管的较有希望的材料。要产生光学二极管效应，首先该晶体应当有较高的光折变灵敏度并能有效地形成反射光折变光栅。目前已有报导观察到几种产生机理的光学二极管效应。

1.3 快速光折变效应

光致折射效应的时间响应是很慢的，一般为秒的量级。国外有报导，在通常表现为慢响应的光折变晶体中，超短激光脉冲能诱导出皮秒光折变效应；郑光昭在实验中发现，在所用光折变晶体中也存在一种响应时间短于激光脉冲重复时间但比较弱的快速光折变效应。上述几种光折变效应都属非线性光学过程，是光波与光折变晶体相互作用的结果。可以认为，这些光折变效应是非线性光学过程在不同条件下的不同反映。在某些条件下某些因素占主导地位因而主要地呈现出某些效应。有些效应之间存着内在联系，且有些是共生的，因此不要孤立地去认识它们，而是要综合地考虑它们的应用。

2 光折变材料的应用前景

从某种意义上说，信息技术（Information Technology）是一门专注于数据的采集、管理、和分析处理的技术，而光信息技术作为其旗下的一门新兴学科，扮演着举足轻重的角色。光折变晶体由于其独特的性能而在光信息技术中崭露头角，其应用开发方兴未艾。这里仅能择其主要作简单介绍。

2.1 光信息存储

通常来说，光折变晶体的光感性极强，对于数据的储存能力也超过一般的硬盘磁道技术，同时，还兼具数据的可擦除等特点，可以作为体全息记录材料用于高密度多重存储、光学联想存储、光学互联及多种实时信息处理系统。在90年代初，光折变晶体的储存能力已经可以做到在一个2cm*5cm*1cm的掺铁锯酸锂晶体中存储5000个全息图片。

2.2 光学图像识别和转换

图像识别技术是一门从大批量图像中根据被搜索图像的某一特定信息筛选、过滤从而找到被搜索图像的技术，例如从许多的指纹中检测是否有某人的指纹等。随着科学技术的迅速发展，为航空领域中的自动跟踪、导弹自动导航、生物医学数据提取等，对图像识别的要求显得越来越突出。而这项技术与光学息息相关，其基本结构是光学相关器，同时，使用匹配滤波器实现该项技术。匹配滤波器的相频特性与信号相频特性共轭，使得输出信号所有频率分量都在输出端同相叠加而形成峰值，简单来说，就是在匹配滤波器设定频率值，当信号的频率与该值一致时，则保留该频率。一般来说，对于静态的匹配滤波器，则一般的记录材料已经够用了，而如果需要實时匹配，则利用光折变晶体进行短时间内的特征识别。但随着科学技术迅速发展，单独使用匹配滤波器已不能满足要求。近年来，各式各样的光学联合变换相关器层出不穷，发展迅速。

在光学信息处理许多课题中，往往需要把非相干光所荷载的图像信息转移到相干光上去。这是因为许多实用的图像信息是由非相干光产生的，而相干光的处理远比非相干光容易，所以要求实现非相干光—相干光的信息转换。在光折变晶体中各个光波通过相位光栅发生耦合，形成相位共轭光。这一过程也可认为是图像信息通过写入光波对相位光栅的编码。一旦相位栅被图像编码，其中就会包含图像信息。当读出光读这一光栅时，输入光波的图像就会被重现出来。后一过程也可认为是图像信息通过读出光波的解码。

2.3 实时全息干涉计量

在全息应用领域，全息干涉占据着重要地位。全息干涉和普通干涉有着极高的相似度，运用的理论和测量的仪器的精度相同，仅仅是相干光的获取方式有差异。普通干涉中获得相干光的方法有分振幅法和分波前法。而全息干涉则是将同一束光，在不同的时间记录在同一张全息干版上，然后使这些波前同时再现发生干涉。对于测量物体而言，普通干涉只能对可反射光的物体进行测量，如测量表明经过抛光处理的透明物体，而全息干涉不仅可以测量透明物体，也可以测量不透体，并且表面可以是用光折变晶体作记录材料，其测量原理利用光折变晶体的二波混频现象，之后进行拍照或通过CCD摄像机输入计算机进行实时数据处理。

目前来说，光折变材料在全息干涉中的应用，还只是冰山一角，绝大部分没有被开发出来，今后还有很大的开发余地。

3 结语

随着社会科学经济的不断发展，光折变材料作为一种新型的非线性光学材料会在越来越来越多的领域中广泛应用，具有较高的应用前景，本文所介绍的内容也只是沧海一粟。此外，光折变材料还有很多优良的性能等待开发利用，对于它更加广泛的应用，需要人们进行深入细致的研究，尤其是光折变材料在全息干涉中的应用。

参考文献

[1]过巳吉，石顺祥，关义春，安毓英.光致折射晶体中高速调制光束传输和放大的理论研究[J].光学学报，1990，（04）：299-305.

[2]张森.脉冲激光光折变自适应光外差探测技术研究[D].西安电子科技大学，2007.endprint