Фоторефрактивный эффект

Фоторефрактивный эффект — это нелинейный оптический эффект, наблюдаемый в некоторых кристаллах и других материалах, которые реагируют на свет , изменяя свой показатель преломления . Эффект можно использовать для хранения временных стираемых голограмм , а также он полезен для хранения голографических данных . Его также можно использовать для создания обращенного зеркала или оптического пространственного солитона .

Механизм

Фоторефрактивный эффект происходит в несколько этапов:

1. Фоторефрактивный материал освещается когерентными лучами света. (В голографии это сигнальный и опорный лучи). Интерференция между лучами приводит к образованию темных и светлых полос по всему кристаллу.
2. В областях, где присутствует яркая полоса, электроны могут поглощать свет и фотовозбуждаться с уровня примеси в зону проводимости материала, оставляя электронную дырку (результатный положительный заряд). Уровни примеси имеют энергию, промежуточную между энергиями валентной зоны и зоны проводимости материала.
3. Попав в зону проводимости, электроны могут свободно перемещаться и диффундировать по кристаллу. Поскольку электроны возбуждаются преимущественно на светлых полосах, суммарный ток диффузии электронов направлен к областям материала с темными полосами.
4. Находясь в зоне проводимости, электроны с некоторой вероятностью могут рекомбинировать с дырками и вернуться на примесные уровни. Скорость, с которой происходит эта рекомбинация, определяет, насколько далеко диффундируют электроны и, следовательно, общую силу фоторефрактивного эффекта в этом материале. Вернувшись на уровень примеси, электроны оказываются в ловушке и больше не могут двигаться, если их повторно не возбудят обратно в зону проводимости (светом).
5. В результате чистого перераспределения электронов в темные области материала, оставляя дыры в светлых областях, результирующее распределение заряда приводит к электрического поля , известного как поле пространственного заряда созданию в кристалле . Поскольку электроны и дырки захвачены и неподвижны, поле объемного заряда сохраняется даже при отсутствии освещающих лучей.
6. Поле внутреннего объемного заряда посредством электрооптического эффекта вызывает изменение показателя преломления кристалла в областях, где поле наиболее сильное. Это приводит к возникновению пространственно изменяющейся решетки показателя преломления по всему кристаллу. Рисунок образующейся решетки повторяет картину интерференции света, первоначально наложенную на кристалл.
7. Решетка показателя преломления теперь может преломлять свет, попадающий в кристалл, в результате чего дифракционная картина воссоздает исходную картину света, хранящуюся в кристалле.

Приложение

Фоторефрактивный эффект можно использовать для динамической голографии и, в частности, для очистки когерентных лучей. Например, в случае голограммы освещение решетки только опорным лучом приводит к восстановлению исходного сигнального луча. Когда два когерентных лазерных луча (обычно получаемых путем разделения лазерного луча с помощью светоделителя на два, а затем соответствующего перенаправления с помощью зеркал ) пересекаются внутри фоторефрактивного кристалла , результирующая показателя преломления решетка дифрагирует лазерные лучи. В результате один луч набирает энергию и становится более интенсивным за счет уменьшения интенсивности света другого. Это явление является примером двухволнового смешения . В этой конфигурации условие дифракции Брэгга автоматически выполняется .

Узор, хранящийся внутри кристалла, сохраняется до тех пор, пока он не будет стерт; это можно сделать, залив кристалл равномерным освещением, которое возбудит электроны обратно в зону проводимости и позволит им распределиться более равномерно.

Фоторефрактивные материалы включают титанат бария (BaTiO ₃ ), ниобат лития (LiNbO ₃ ), ванадием легированный теллурид цинка, (ZnTe:V), органические фоторефрактивные материалы , некоторые фотополимеры и некоторые с множественными квантовыми ямами структуры .