光折变效应

光折变效应（photorefractive effect）是指一种特殊的光感生折射率变化现象。入射光将束缚在某些晶体或有机物里的杂质或缺陷形成的浅阱中的载流子（电子或空穴）激发出来，如果光强是不均匀的，光激发载流子将通过扩散等过程进行迁移，结果是在介质里出现光感生电场。光感生电场再通过介质的电光效应产生折射率变化。但折射率变化不是即时发生，而需要一定的建立时间；即使是弱光，只要照射时间足够长也可产生明显的光折变效应；只有在介质里空间分布不均匀的光场中才能产生光折变效应，而一旦出现光折变，可在黑暗里保持很长时间。

光折变现象利用光折变效应可在介质中形成光折变相位光栅，由此导致一系列光折变现象的发生。将两束光以一定角度在介质中相交，通过干涉在介质里形成光强的干涉花样，导致在两束光角平分线垂直方向光强的周期性分布。光强相对强的位置的浅阱中的载流子被光激发，出现光激发载流子迁移的空间分布，导致电场的空间分布，这种分布与光强分布在空间有90°的相位差。如果介质具有电光效应，则可出现折射率变化的相位光栅，称为光折变相位光栅。已经在一系列铁电氧化物晶体、半导体材料和有机材料中观察到光折变相位光栅引起的各种的光折变现象。由于光感生空间电场很大，可达105伏/米量级，可引起10－3量级折射率改变。光折变效应开拓了一个弱光下非线性光学的研究领域1。

衍射一种特殊的简并四波混合。如果在上述两束光之一的反方向入射一束光，将在光折变相位光栅上发生布拉格衍射。由布拉格衍射条件，衍射光束正好在另一束光的反方向，并且是这束光的相位共轭波。与普通的简并四波混合不同，这里产生相位共轭波的入射光强可以很低，不过相位共轭波出现需要一定时间。光折变现象在相位共轭光学（见非线性光学）中有重要的应用2。

自衍射产生这种现象的原因是上述光折变相位光栅与光强衍射花样间的90°空间移位。又称双光束耦合。这种自衍射不需要第三束光，能量可在两束入射光之间交换，导致其中一束光被放大。能量转移方向与入射光的偏振特性、晶体的双折射特性和载流子电荷符号等有关。

相位共轭光折变介质中出现的扇形光散射现象。光束入射到晶体后，由于晶体中的缺陷及光学不均匀等原因产生光散射。散射光束与入射光束之间出现双光束耦合，在一系列方向散射光获得增益，这样光束入射后光能像扇子一样分布各个方向，出现扇形散射现象。扇形光的能量分布与入射光相对晶轴取向有关。单轴晶体中的非常光入射可出现趋向晶体光轴的扇形光散射，散射光与入射光可形成一系列相位光栅。这样光折变现象可用来实现自泵浦相位共轭，即只要入射一束光到光折变介质中，在一定条件下就可产生相位共轭波。产生自泵浦相位共轭的方法很多，如可将光折变晶体的两个界面抛光，部分扇形光散射经过全反射，就可能在晶体内出现一个或多个作用区，在这里产生布拉格衍射，获得入射波的相位共轭波。自泵浦相位共轭可提供一种简单可靠的产生相位共轭波的方法。

光折变两束互不相干的光束以适当角度入射到光折变晶体，相互耦合后可以产生各自的相位共轭波，其中一束光的相位共轭波能量是由另一束光提供的，这就是互泵浦相位共轭。

应用光折变现象有许多重要应用。除可通过相位共轭复原畸变图像外，两波耦合可增强微弱图像，自泵浦和互泵浦相位共轭可制成各种特殊干涉仪提高测量精度，两波耦合或互泵浦相位共轭可实现光互连、光寻址等。光折变现象在光学信息处理、光通信、光计算等技术中会有一系列应用3。

自泵浦位相共轭镜一束光入射到光折变晶体上可以产生该入射光的位相共轭光的器件称为自泵浦位相共轭镜,所有这些共轭器都是借助于外反射镜或晶体内角反射使光折变扇形散射光回到晶体内，这些散射光和入射光通过四波混频过程产生位相共轭光。

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石季英 - 副教授 - 天津大学