紀(jì)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(lái)說(shuō)，光折變材料應(yīng)用十分廣泛，在例如光信息處理、光信息儲(chǔ)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(jì)以來(lái)，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(jìn)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(hào)：TB34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)：（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(duì)于光折變材料來(lái)說(shuō)，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(guò)光折變材料時(shí)，光波會(huì)與材料之間進(jìn)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(shí)時(shí)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(chǔ)存，圖像的識(shí)別和轉(zhuǎn)換，實(shí)時(shí)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(guò)光生載流子的空間分布使折射率發(fā)生變化的晶體。通過(guò)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(kuò)散、漂移、光生伏特等效應(yīng)單獨(dú)或綜合作用，載流子將在晶體點(diǎn)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(chǎng)強(qiáng)度分布，該電場(chǎng)通過(guò)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(jiàn)的一種光效應(yīng)，當(dāng)光通過(guò)光折變晶體時(shí)，光線發(fā)生散射，散射光的光強(qiáng)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(guò)程又不同于一般的光的散射，它的散射過(guò)程是非對(duì)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(gè)繁復(fù)的多波混合的過(guò)程，簡(jiǎn)單的兩波耦合不可以用來(lái)解釋復(fù)雜的光扇現(xiàn)象。同時(shí)，散射光的光強(qiáng)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(qiáng)度、入射光的角度。有實(shí)驗(yàn)研究表明[2]，散射噪聲嚴(yán)重的晶體，其內(nèi)部機(jī)制的晶格錯(cuò)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(qiáng)透過(guò)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(bào)導(dǎo)觀察到幾種產(chǎn)生機(jī)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(shí)間響應(yīng)是很慢的，一般為秒的量級(jí)。國(guó)外有報(bào)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在所用光折變晶體中也存在一種響應(yīng)時(shí)間短于激光脈沖重復(fù)時(shí)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(guò)程，是光波與光折變晶體相互作用的結(jié)果。可以認(rèn)為，這些光折變效應(yīng)是非線性光學(xué)過(guò)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(rèn)識(shí)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(shuō)，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(dú)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(jiǎn)單介紹。

2.1 光信息存儲(chǔ)

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

2.2 光學(xué)圖像識(shí)別和轉(zhuǎn)換

圖像識(shí)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(guò)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(cè)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(dòng)跟蹤、導(dǎo)彈自動(dòng)導(dǎo)航、生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)提取等，對(duì)圖像識(shí)別的要求顯得越來(lái)越突出。而這項(xiàng)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(shí)，使用匹配濾波器實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)。匹配濾波器的相頻特性與信號(hào)相頻特性共軛，使得輸出信號(hào)所有頻率分量都在輸出端同相疊加而形成峰值，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是在匹配濾波器設(shè)定頻率值，當(dāng)信號(hào)的頻率與該值一致時(shí)，則保留該頻率。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)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(shí)時(shí)匹配，則利用光折變晶體進(jìn)行短時(shí)間內(nèi)的特征識(shí)別。但隨著科學(xué)技術(shù)迅速發(fā)展，單獨(dú)使用匹配濾波器已不能滿足要求。近年來(lái)，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?yàn)樵S多實(shí)用的圖像信息是由非相干光產(chǎn)生的，而相干光的處理遠(yuǎn)比非相干光容易，所以要求實(shí)現(xiàn)非相干光—相干光的信息轉(zhuǎn)換。在光折變晶體中各個(gè)光波通過(guò)相位光柵發(fā)生耦合，形成相位共軛光。這一過(guò)程也可認(rèn)為是圖像信息通過(guò)寫入光波對(duì)相位光柵的編碼。一旦相位柵被圖像編碼，其中就會(huì)包含圖像信息。當(dāng)讀出光讀這一光柵時(shí)，輸入光波的圖像就會(huì)被重現(xiàn)出來(lái)。后一過(guò)程也可認(rèn)為是圖像信息通過(guò)讀出光波的解碼。

2.3 實(shí)時(shí)全息干涉計(jì)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(yùn)用的理論和測(cè)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(shí)間記錄在同一張全息干版上，然后使這些波前同時(shí)再現(xiàn)發(fā)生干涉。對(duì)于測(cè)量物體而言，普通干涉只能對(duì)可反射光的物體進(jìn)行測(cè)量，如測(cè)量表明經(jīng)過(guò)拋光處理的透明物體，而全息干涉不僅可以測(cè)量透明物體，也可以測(cè)量不透體，并且表面可以是用光折變晶體作記錄材料，其測(cè)量原理利用光折變晶體的二波混頻現(xiàn)象，之后進(jìn)行拍照或通過(guò)CCD攝像機(jī)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理。

目前來(lái)說(shuō)，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(méi)有被開發(fā)出來(lái)，今后還有很大的開發(fā)余地。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)科學(xué)經(jīng)濟(jì)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(huì)在越來(lái)越來(lái)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(duì)于它更加廣泛的應(yīng)用，需要人們進(jìn)行深入細(xì)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(xiàn)

[1]過(guò)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(bào)，1990，（04）：299-305.

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