光折變材料的原理及應(yīng)用前景

紀源

摘 要：光折變材料是新興的非線性光學(xué)材料，已受到廣泛的關(guān)注。目前來說，光折變材料應(yīng)用十分廣泛，在例如光信息處理、光信息儲存、光圖像轉(zhuǎn)換等方面都有著許多應(yīng)用。正是由于光折變效應(yīng)具有非線性的光學(xué)作用，從被發(fā)現(xiàn)開始，就迅速的在非線性光學(xué)研究領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。自二十一世紀以來，許多面向光折變效應(yīng)和光折變材料的理論異軍突起，許多方面的研究都進行的如火如荼。本文首先介紹光折變材料的基本原理光折變效應(yīng)，其主要由光扇效應(yīng)、光學(xué)二極管、及快速光折變效應(yīng)組成。再提出光折變材料的應(yīng)用前景，并相應(yīng)的做出展望。

關(guān)鍵詞：光折變材料；光信息技術(shù)；應(yīng)用

中圖分類號：TB34 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）18-0234-01

光折變材料是新興的非線性光學(xué)材料，其原因主要有以下三點：（1）一般的光學(xué)材料，想要引起光接收器的顯著響應(yīng)必須要輸入足夠的功率，而對于光折變材料來說，極小的光輸入就足以引起光接收器的顯著響應(yīng)；（2）在通過光折變材料時，光波會與材料之間進行一系列特殊且復(fù)雜的效應(yīng)，如光扇效應(yīng)等，這些效應(yīng)的發(fā)生可以實時記錄光學(xué)信息處理，利用此原理，光折變材料目前被應(yīng)用于光信息儲存，圖像的識別和轉(zhuǎn)換，實時全息干涉等等。本文首先介紹光折變材料的基本原理光折變效應(yīng)，其主要由光扇效應(yīng)、光學(xué)二極管、熱透鏡效應(yīng)及快速光折變效應(yīng)組成。再提出光折變材料的應(yīng)用前景，并相應(yīng)的做出展望。

1 光折變材料的原理

光折變晶體是指在光輻射作用下通過光生載流子的空間分布使折射率發(fā)生變化的晶體。通過將光直射光折射材料，材料中晶體將產(chǎn)生電荷載流子（電子或空穴），由于擴散、漂移、光生伏特等效應(yīng)單獨或綜合作用，載流子將在晶體點陣中遷移，直到被陷阱捕獲于新的位置。由于產(chǎn)生的空間電荷在晶體中引起了電場強度分布，該電場通過電光效應(yīng)使晶體的折射率發(fā)生相應(yīng)的改變[1]。光折變晶體中光折變效應(yīng)主要有：

1.1 光扇效應(yīng)

光扇效應(yīng)是光折變材料中常見的一種光效應(yīng)，當(dāng)光通過光折變晶體時，光線發(fā)生散射，散射光的光強是呈扇狀分布，所以稱其為光扇效應(yīng)。而光扇效應(yīng)中光的散射過程又不同于一般的光的散射，它的散射過程是非對稱的。扇形散射光雖然是入射光和散射光的耦合，但光扇現(xiàn)象卻經(jīng)歷了一個繁復(fù)的多波混合的過程，簡單的兩波耦合不可以用來解釋復(fù)雜的光扇現(xiàn)象。同時，散射光的光強受到許多因素的限制，如材料自身的性質(zhì)差異、入射光的強度、入射光的角度。有實驗研究表明[2]，散射噪聲嚴重的晶體，其內(nèi)部機制的晶格錯位就明顯，即晶體自身的缺陷是散射光形成的重要因素之一。

1.2 光學(xué)二極管效應(yīng)

在同一通光路徑上光強透過率具有明顯方向性的光學(xué)二極管，是人們希望獲得的光學(xué)元件。光折變晶體中耦合光束之間能量轉(zhuǎn)移存在著方向性，因此它是制作光學(xué)二極管的較有希望的材料。要產(chǎn)生光學(xué)二極管效應(yīng)，首先該晶體應(yīng)當(dāng)有較高的光折變靈敏度并能有效地形成反射光折變光柵。目前已有報導(dǎo)觀察到幾種產(chǎn)生機理的光學(xué)二極管效應(yīng)。

1.3 快速光折變效應(yīng)

光致折射效應(yīng)的時間響應(yīng)是很慢的，一般為秒的量級。國外有報導(dǎo)，在通常表現(xiàn)為慢響應(yīng)的光折變晶體中，超短激光脈沖能誘導(dǎo)出皮秒光折變效應(yīng)；鄭光昭在實驗中發(fā)現(xiàn)，在所用光折變晶體中也存在一種響應(yīng)時間短于激光脈沖重復(fù)時間但比較弱的快速光折變效應(yīng)。上述幾種光折變效應(yīng)都屬非線性光學(xué)過程，是光波與光折變晶體相互作用的結(jié)果。可以認為，這些光折變效應(yīng)是非線性光學(xué)過程在不同條件下的不同反映。在某些條件下某些因素占主導(dǎo)地位因而主要地呈現(xiàn)出某些效應(yīng)。有些效應(yīng)之間存著內(nèi)在聯(lián)系，且有些是共生的，因此不要孤立地去認識它們，而是要綜合地考慮它們的應(yīng)用。

2 光折變材料的應(yīng)用前景

從某種意義上說，信息技術(shù)（Information Technology）是一門專注于數(shù)據(jù)的采集、管理、和分析處理的技術(shù)，而光信息技術(shù)作為其旗下的一門新興學(xué)科，扮演著舉足輕重的角色。光折變晶體由于其獨特的性能而在光信息技術(shù)中嶄露頭角，其應(yīng)用開發(fā)方興未艾。這里僅能擇其主要作簡單介紹。

2.1 光信息存儲

通常來說，光折變晶體的光感性極強，對于數(shù)據(jù)的儲存能力也超過一般的硬盤磁道技術(shù)，同時，還兼具數(shù)據(jù)的可擦除等特點，可以作為體全息記錄材料用于高密度多重存儲、光學(xué)聯(lián)想存儲、光學(xué)互聯(lián)及多種實時信息處理系統(tǒng)。在90年代初，光折變晶體的儲存能力已經(jīng)可以做到在一個2cm*5cm*1cm的摻鐵鋸酸鋰晶體中存儲5000個全息圖片。

2.2 光學(xué)圖像識別和轉(zhuǎn)換

圖像識別技術(shù)是一門從大批量圖像中根據(jù)被搜索圖像的某一特定信息篩選、過濾從而找到被搜索圖像的技術(shù)，例如從許多的指紋中檢測是否有某人的指紋等。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，為航空領(lǐng)域中的自動跟蹤、導(dǎo)彈自動導(dǎo)航、生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)提取等，對圖像識別的要求顯得越來越突出。而這項技術(shù)與光學(xué)息息相關(guān)，其基本結(jié)構(gòu)是光學(xué)相關(guān)器，同時，使用匹配濾波器實現(xiàn)該項技術(shù)。匹配濾波器的相頻特性與信號相頻特性共軛，使得輸出信號所有頻率分量都在輸出端同相疊加而形成峰值，簡單來說，就是在匹配濾波器設(shè)定頻率值，當(dāng)信號的頻率與該值一致時，則保留該頻率。一般來說，對于靜態(tài)的匹配濾波器，則一般的記錄材料已經(jīng)夠用了，而如果需要實時匹配，則利用光折變晶體進行短時間內(nèi)的特征識別。但隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，單獨使用匹配濾波器已不能滿足要求。近年來，各式各樣的光學(xué)聯(lián)合變換相關(guān)器層出不窮，發(fā)展迅速。

在光學(xué)信息處理許多課題中，往往需要把非相干光所荷載的圖像信息轉(zhuǎn)移到相干光上去。這是因為許多實用的圖像信息是由非相干光產(chǎn)生的，而相干光的處理遠比非相干光容易，所以要求實現(xiàn)非相干光—相干光的信息轉(zhuǎn)換。在光折變晶體中各個光波通過相位光柵發(fā)生耦合，形成相位共軛光。這一過程也可認為是圖像信息通過寫入光波對相位光柵的編碼。一旦相位柵被圖像編碼，其中就會包含圖像信息。當(dāng)讀出光讀這一光柵時，輸入光波的圖像就會被重現(xiàn)出來。后一過程也可認為是圖像信息通過讀出光波的解碼。

2.3 實時全息干涉計量

在全息應(yīng)用領(lǐng)域，全息干涉占據(jù)著重要地位。全息干涉和普通干涉有著極高的相似度，運用的理論和測量的儀器的精度相同，僅僅是相干光的獲取方式有差異。普通干涉中獲得相干光的方法有分振幅法和分波前法。而全息干涉則是將同一束光，在不同的時間記錄在同一張全息干版上，然后使這些波前同時再現(xiàn)發(fā)生干涉。對于測量物體而言，普通干涉只能對可反射光的物體進行測量，如測量表明經(jīng)過拋光處理的透明物體，而全息干涉不僅可以測量透明物體，也可以測量不透體，并且表面可以是用光折變晶體作記錄材料，其測量原理利用光折變晶體的二波混頻現(xiàn)象，之后進行拍照或通過CCD攝像機輸入計算機進行實時數(shù)據(jù)處理。

目前來說，光折變材料在全息干涉中的應(yīng)用，還只是冰山一角，絕大部分沒有被開發(fā)出來，今后還有很大的開發(fā)余地。

3 結(jié)語

隨著社會科學(xué)經(jīng)濟的不斷發(fā)展，光折變材料作為一種新型的非線性光學(xué)材料會在越來越來越多的領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，具有較高的應(yīng)用前景，本文所介紹的內(nèi)容也只是滄海一粟。此外，光折變材料還有很多優(yōu)良的性能等待開發(fā)利用，對于它更加廣泛的應(yīng)用，需要人們進行深入細致的研究，尤其是光折變材料在全息干涉中的應(yīng)用。

參考文獻

[1]過巳吉，石順祥，關(guān)義春，安毓英.光致折射晶體中高速調(diào)制光束傳輸和放大的理論研究[J].光學(xué)學(xué)報，1990，（04）：299-305.

[2]張森.脈沖激光光折變自適應(yīng)光外差探測技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2007.endprint