Efecto fotorrefractivo

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El efecto fotorrefractivo es un efecto óptico no lineal que se observa en ciertos cristales y otros materiales que responden a la luz alterando su índice de refracción . ^[1] El efecto se puede utilizar para almacenar hologramas borrables temporales y es útil para el almacenamiento de datos holográficos. ^{[2] [3]} También se puede utilizar para crear un espejo de conjugación de fase o un solitón espacial óptico .

Mecanismo

El efecto fotorrefractivo se produce en varias etapas:

1. Un material fotorrefractivo se ilumina mediante haces de luz coherentes . (En holografía, estos serían los haces de señal y referencia). La interferencia entre los rayos da como resultado un patrón de franjas claras y oscuras en todo el cristal.
2. En las regiones donde hay una franja brillante, los electrones pueden absorber la luz y fotoexcitarse desde un nivel de impureza hacia la banda de conducción del material, dejando un agujero de electrones (una carga neta positiva). Los niveles de impureza tienen una energía intermedia entre las energías de la banda de valencia y la banda de conducción del material.
3. Una vez en la banda de conducción, los electrones pueden moverse y difundirse libremente por todo el cristal. Dado que los electrones se excitan preferentemente en las franjas brillantes, la corriente neta de difusión de electrones se dirige hacia las regiones de las franjas oscuras del material.
4. Mientras están en la banda de conducción, los electrones pueden recombinarse con cierta probabilidad con los huecos y volver a los niveles de impurezas. La velocidad a la que tiene lugar esta recombinación determina qué tan lejos se difunden los electrones y, por lo tanto, la fuerza general del efecto fotorrefractivo en ese material. Una vez de vuelta en el nivel de impurezas, los electrones quedan atrapados y ya no pueden moverse a menos que se vuelvan a excitar de nuevo a la banda de conducción (por la luz).
5. Con la redistribución neta de electrones en las regiones oscuras del material, dejando agujeros en las áreas brillantes, la distribución de carga resultante provoca que se establezca un campo eléctrico , conocido como campo de carga espacial, en el cristal. Dado que los electrones y los agujeros están atrapados e inmóviles, el campo de carga espacial persiste incluso cuando se eliminan los rayos luminosos.
6. El campo de carga espacial interno, a través del efecto electro-óptico , hace que el índice de refracción del cristal cambie en las regiones donde el campo es más fuerte. Esto provoca que se produzca una rejilla de índice de refracción que varía espacialmente en todo el cristal. El patrón de la rejilla que se forma sigue el patrón de interferencia de luz impuesto originalmente sobre el cristal.
7. La rejilla de índice de refracción ahora puede difractar la luz que brilla en el cristal, y el patrón de difracción resultante recrea el patrón original de luz almacenado en el cristal.

Solicitud

El efecto fotorrefractivo se puede utilizar para la holografía dinámica y, en particular, para la limpieza de haces coherentes. Por ejemplo, en el caso de un holograma, iluminar la rejilla solo con el haz de referencia provoca la reconstrucción del haz de señal original. Cuando dos rayos láser coherentes (generalmente obtenidos al dividir un rayo láser mediante el uso de un divisor de rayos en dos, y luego redirigirlos adecuadamente mediante espejos ) se cruzan dentro de un cristal fotorrefractivo , la rejilla de índice de refracción resultante difracta los rayos láser. Como resultado, un rayo gana energía y se vuelve más intenso a expensas de la reducción de la intensidad de la luz del otro. Este fenómeno es un ejemplo demezcla de dos ondas . En esta configuración, la condición de difracción de Bragg se satisface automáticamente.

El patrón almacenado dentro del cristal persiste hasta que se borra; esto se puede hacer inundando el cristal con una iluminación uniforme que excitará los electrones de regreso a la banda de conducción y permitirá que se distribuyan de manera más uniforme.

Los materiales fotorrefractivos incluyen titanato de bario (BaTiO ₃ ), niobato de litio (LiNbO ₃ ), telururo de zinc dopado con vanadio (ZnTe: V), materiales fotorrefractivos orgánicos , ciertos fotopolímeros y algunas estructuras de pozos cuánticos múltiples .

Referencias

1. J. Frejlich (2007). Materiales fotorrefractivos: conceptos fundamentales, grabación holográfica y caracterización de materiales . ISBN 978-0-471-74866-3.
2. Peter Günter, Jean-Pierre Huignard, ed. (2007). Materiales fotorrefractivos y sus aplicaciones . ISBN 978-0-387-34443-0.
3. Pochi Yeh (1993). Introducción a la óptica fotorrefractiva no lineal . Serie Wiley en óptica pura y aplicada. ISBN 0-471-58692-7.