光折变晶体

1966 年，当贝尔实验室的科学家们第一次注意到光致折射效应时，他们认为这种现象大不了是一种奇异的特性，而且还是一个十分有害的现象。而今天，光致折射材料正在被制成利用光而不是利用电的新一代计算机的元件，也就是被制成为光学计算机的元件。当时，科学家们正在对一种无机晶体进行实验，希望能出现倍频现象，也就是从红宝石激光器中输出的红色光

通过无机晶体后产生蓝色光波。实验开始时相当成功，光通过晶体而不受干扰。但是，几分钟后，晶体开始使光束变形并向实验室四周散射。激光已经莫名其妙地改变了晶体本身的光学性质。这种光致折射效应能在晶体中保持几天。然而，如果研究人员用均匀的激光束照射这个晶体，晶体会再次使光束通过而不变形，即光致折射现象消失。在过去二、三十年里科学家们已经发现大量各种各样的光致折射材料。其中包括绝缘体、半导体和有机化合物。与我们平常照相用的胶片感光剂一样，能记录错综复杂的光的图案，可这种材料比胶片还要优越，它记录的光图像是可以消除的，而胶片曝光后只能记录一次图像，也无法抹除图像。

由于光致折射材料的灵敏性、耐久性和独特的光学性质，它们有可能用于制造光学计算机的数据处理元件。理论上讲，这些设备将使光学计算机和电子计算机的信息处理速度要高得多。

由于光致折射材料的光学性质可以被穿过这种材料的光所改变，因此这种材料属于非线性光学材料。在线性光学材料中，（如透镜、棱镜等）光束只是相互透过，而不改变材料本身的某种性质。

多数透明材料在受到有足够强度的光的照射时其折射率都将改变。然而“光致折变”一词通常用于在低强度光的照射下折射率发生变化的材料。在光致折射材料中，强度弱至 0.001 瓦/厘米 2 的光束都能够改变晶体中原子的排列，进而使折射率发生不同改变。而且，与大多数透明材料不同的是，光致折射材料中的变化是半永久性的，如果使一个折射率已经改变的晶体不受任何光源照射，那么根据材料的不同，折射率的变化可以保持几毫秒至若干年，这样就能够在晶体中以图像的形式存贮信息。

那么，一束弱光怎样能够引起晶体的折射率发生如此强烈的变化呢？科学家们通过细致地观察，认为光致折射效应的基本模型正如“蚂蚁搬家”一样，即一只蚂蚁一次搬走一粒沙子，最终可以移走一大堆沙子。一束弱光也可以使电荷一个个地移动，从而逐步建立起强电场。在光致折射材料中，有多余的电荷，它们是电子（带负电的粒子）空穴（带正电的区域），当激光照射材料之前，这些电荷被束缚着，在材料中不能自由移动，它们遇到光照射时，便从光中吸收一部分能量，变得活跃起来，就可在材料内部自由地漫游。当移到没有光照的区域时，这些电荷便被再次束缚住。这样，如果光照射在材料中的一个区域内的电荷上，那么这些电荷就将离开这个区域而在没有光照的区域累积起来，光照前均匀分布在材料中的电荷便分离、移动至两个不同的区域，正、负电荷之间便形成了强大的电场，促使这种材料的结构发生变化，从而改变了该材料的折射率即改变了光在材料中的传播速度。

光致折射效应的一个最直接、最有用的应用便是两束激光间的能量交换，它也被称为双光束耦合。这种现象与前面我们所讲的光波混频现象不一样，光波混频是当两束激光同时射出倍频晶体时，透过的光除了各自的倍频光外，还有这两束不同波长激光的和频、差频光，也就是产生了新的频率的光。而这里所讲的双光束耦合是指当两束频率相同的激光同时射入光致折变材料时，出来的光其中一束光强增大，而另一束光强减弱，就好像一束光中的能量跑到另一束光中去了一样。这种能量交换现象是光致折射材料独有的一种特性。这种特性的应用前景非常之好，其原因就在于这种材料对光高度敏感，再加上它们能够将来自不同激光器的光束联接起来并能将一种信息图案转变成另一种信息图案。

光折变晶体主要有三类，第一类是某些属于铁电体的电光晶体；第二类是非铁电氧化物；第三类是半导体化合物，人们最感兴趣的是 BaTiO3，Fe： KNbO3,Bi12SiO2 等晶体。

应用光折变晶体，只需低功率激光，就可在室温下进行各种不同信号处理和运算。光折变晶体还具有非常高的光学非线性，实验中可以产生许多新过程、新现象，因此它的研究发展前景是十分吸引人的。