光折變晶體

上世紀六十年代中期，美國貝爾實驗室在用鈮酸鋰晶體進行高功率激光的倍頻轉換實驗時，觀察到晶體在強激光照射下出現可逆的“光損傷”現象。由於這種效應伴隨着折射率的改變，此種“光損傷”是可擦除的，將這一效應稱作光折變效應。其含義是指材料在光輻射下，通過光電導效應形成空間電荷場，由於電光效應引起折射率隨光強空間分佈而發生變化的效應。在光折變效應中折射率的變化和通常在強光場作用下所引起的非線性折射率的變化機制是完全不同的。光折變效應是發生在電光材料中的一種複雜的光電過程，是由於光致分離的空間電荷產生相應空間電荷場，由於晶體的電光效應而造成折射率在空間的調製變化，形成一種動態光柵，由電光效應形成的動態光柵對於寫入光束的自衍射引起光波的振幅、位相、偏振甚至頻率的變化，從而為相干光的處理提供了全方位的可能性。 ^[1] 

第一個特點是光折變效應和光強無關。入射光的強度，隻影響光折變過程進行速度。 因為光折變效應是起因於光強的空間調製，而不是絕對光強作用於價鍵電子雲發生形變造成的。這種低功率光致折射率變化為人們提供了在低功率激光條件下觀察非線性光學現象的可能性，併為採用低功率激光製作各種實用非線性光學器件奠定了堅實的基礎。

第二個特點是其非局域響應，通過光折變效應建立折射率位相光冊是需要時間的，它的建立不僅在時間響應上顯示出慣性，而且在空間分佈上也是非局域響應的。在光折變晶體中形成的動態光柵相對於作用光的干涉條紋有一定的空間相移，當這一相移達到π/2時，將發生最大的光能不可逆轉移。此時的光柵又稱相移型光柵，利用這一光柵，允許將泵浦光能向信號光或相位共扼波轉移，開闢了利用非線性作用放大信號光的一條新途徑。理論和實踐證明，利用光折變效應進行光耦合，其增益係數可以達到10~100cm²量級。此外，如果在這種光放大器上加上適當正反饋，還可以在光折變晶體中形成光學振盪，這是一種基於經典光學的干涉、衍射和電光效應實現的一種新型的相干光放大形式。

光折變效應由三個基本過程形成：

①光折變材料吸收光子而產生分佈不均勻的自由載流子(空間電荷)；

②空間電荷在介質中的漂移、擴散和重新俘獲形成了空間電荷的重新分佈併產生空間電荷場；

③調製的空間電荷場再通過線性電光效應引起折射率的調製變化，即形成折射率的光柵。作為一種光折變材料，、須具有光電導性能，即能夠吸收人射光子並因此產生可以遷移的光生載流子，材料本身具有非零的電光係數。 ^[1] 

(1)鐵電體氧化物光折變晶體。包括BaTiO₃、SBN、LiTaO₃、KNSBN、LiNbO、KNbO、KTN等類晶體。

①鈣鈦礦鐵電氧化物晶體。

②鎢青銅型光折變晶體，

(2)非鐵電氧化物光折變晶體。主要包括硅酸鉍、鍺酸鉍及鈦酸鉍等，這此晶體具有順電電光和光導特性。採用熔體法生長可以獲得大尺寸、高質量的單晶。晶體屬立方結構，無外加電場時晶體為各向同性，但在電場作用下表現出雙折射，不為零的電光係數。BTO晶體與BSO、RGO晶體具有相同的結構，但它有更優越的光折變性能。BTO晶體具有大的電光係數。三種晶體的電光係數雖然較鐵電體光折變晶本的小，光折變效應也弱得多，但由於它們屬光導型材料，具有很快的響應速度等特點，採用外加直流或交流電場增強它們的光折變效應的強度，在各類應用中獲得了成功。

(3)半導體光折變晶體。鉻摻雜的GaAs、鐵摻雜的InP及CdTe等，具有大的電荷遷移率、高的光電導、光折變響應速度很快、響應的波段在0.95~1.35pum，電光係數很小，必須利用外加電場來增強其空問電荷場以獲得較強的光折變效應。半導體材料的遷移率、光電子壽命以及遷移特徵長度都依賴於外電場。如在GaAs中外加交變電場時可能會導致電荷遷移率與壽命之積的大幅度減小，而在CdTe中外加電場強度超過13kV/cm時也會導致電荷遷移率的下降，電荷壽命會增加。半導體材料中雜質離子及其不同價態對光折變效應有重要作用。

(4)量子阱光折變材料。量子阱材料中的電場共振增強作用可以形成非常大的平方電光效應，從而有效地導致材料折射率的改變。利用分子束外延獲得的多量子阱材料的結構。 ^[1]