光屈折効果

フォトリフラクティブ効果は、光に反応して屈折率を変える特定の結晶やその他の材料に見られる非線形光学効果です。^{[1]この効果は、一時的な消去可能な}ホログラムを 保存するために使用でき、ホログラフィックデータストレージに役立ちます。^{[2] [3]また、}位相共役ミラーや光空間ソリトンを 作成するためにも使用できます。

光屈折効果はいくつかの段階で発生します。

1. フォトリフラクティブ材料は、 コヒーレント光線によって照射されます。(ホログラフィーでは、これらは信号光線と参照光線になります)。光線間の干渉により、結晶全体に暗い縞と明るい縞のパターンが生成されます。
2. 明るい縞模様が存在する領域では、電子が光を吸収し、不純物レベルから物質の伝導帯に光励起されて、電子ホール(正味の正電荷) が残ります。不純物レベルは、物質の価電子帯と伝導帯のエネルギーの中間のエネルギーを持ちます。
3. 伝導帯に入ると、電子は結晶全体に自由に移動して拡散します。電子は明るいフリンジで優先的に励起されるため、正味の電子拡散電流は材料の暗いフリンジ領域に向かいます。
4. 伝導帯にある間、電子はある程度の確率で正孔と再結合し、不純物レベルに戻る可能性があります。この再結合が起こる速度によって、電子が拡散する距離が決まり、その結果、その材料における光屈折効果の全体的な強さが決まります。不純物レベルに戻ると、電子は閉じ込められ、伝導帯に再励起されない限り（光によって）移動できなくなります。
5. 材料の暗い領域に電子が正味再分配され、明るい領域に正孔が残ると、結果として生じる電荷分布によって、結晶内に空間電荷場と呼ばれる電界が形成されます。電子と正孔は閉じ込められて動かないため、照射ビームが除去されても空間電荷場は存続します。
6. 内部空間電荷場は、電気光学効果により、場が最も強い領域で結晶の屈折率を変化させます。これにより、結晶全体に空間的に変化する屈折率の格子が発生します。形成される格子のパターンは、結晶に元々課せられた光干渉パターンに従います。
7. 屈折率格子は結晶に照射された光を回折することができ、その結果生じる回折パターンは結晶に保存された光の元のパターンを再現します。

フォトリフラクティブ効果は、ダイナミック ホログラフィー、特にコヒーレント ビームのクリーニングに使用できます。たとえば、ホログラムの場合、参照ビームのみで格子を照射すると、元の信号ビームが再構成されます。2 つのコヒーレントレーザービーム (通常は、ビームスプリッターを使用してレーザー ビームを2 つに分割し、ミラーで適切に方向転換することによって得られる) がフォトリフラクティブ結晶内を交差すると、結果として生じる屈折率 格子がレーザー ビームを回折します。その結果、一方のビームはエネルギーを獲得して強度が増しますが、もう一方のビームの光強度は低下します。この現象は、2 波混合の例です。この構成では、ブラッグ回折条件が自動的に満たされます。

結晶内に保存されたパターンは、パターンが消去されるまで持続します。これは、結晶を均一な照明で満たすことによって実現できます。これにより、電子が伝導帯に再び励起され、より均一に分散されます。

フォトリフラクティブ材料には、チタン酸バリウム（BaTiO ₃）、ニオブ酸リチウム（LiNbO ₃）、バナジウムドープテルル化亜鉛（ZnTe:V）、有機フォトリフラクティブ材料、特定のフォトポリマー、およびいくつかの多重量子井戸構造が含まれます。