Efecto fotorrefractivo

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 ]} Este efecto puede utilizarse para almacenar hologramas temporales y borrables , y es útil para el almacenamiento de datos holográficos . ^{[ 2 ] [ 3 ]} También puede utilizarse para crear un espejo conjugado de fase o un solitón espacial óptico .

El efecto fotorrefractivo se produce en varias etapas:

1. Un material fotorrefractivo se ilumina con haces de luz coherentes . (En holografía, estos serían los haces de señal y de referencia). La interferencia entre los haces produce un patrón de franjas oscuras y claras en todo el cristal.
2. En las regiones donde se observa un halo brillante, los electrones pueden absorber la luz y fotoexcitarse desde un nivel de impureza hacia la banda de conducción del material, dejando un hueco de electrón (una carga positiva neta). 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 tienen libertad para moverse y difundirse por todo el cristal. Dado que los electrones se excitan preferentemente en las franjas brillantes, la corriente neta de difusión electrónica se dirige hacia las regiones de franjas oscuras del material.
4. En la banda de conducción, los electrones pueden, con cierta probabilidad, recombinarse con los huecos y regresar a los niveles de impurezas. La velocidad de esta recombinación determina la distancia de difusión de los electrones y, por lo tanto, la intensidad del efecto fotorrefractivo en dicho material. Una vez de vuelta en el nivel de impurezas, los electrones quedan atrapados y no pueden moverse a menos que sean reexcitados a la banda de conducción (mediante luz).
5. Con la redistribución neta de electrones hacia las regiones oscuras del material, dejando huecos en las zonas brillantes, la distribución de carga resultante genera un campo eléctrico , conocido como campo de carga espacial, en el cristal. Dado que los electrones y los huecos quedan atrapados e inmóviles, el campo de carga espacial persiste incluso cuando se retiran los haces de luz.
6. El campo de carga espacial interno, mediante el efecto electroóptico , provoca un cambio en el índice de refracción del cristal en las regiones donde el campo es más intenso. Esto genera una red de índice de refracción que varía espacialmente a lo largo del cristal. El patrón de la red resultante reproduce el patrón de interferencia de la luz originalmente proyectado sobre el cristal.
7. La rejilla de índice de refracción ahora puede difractar la luz que incide sobre el cristal, y el patrón de difracción resultante recrea el patrón de luz original almacenado en el cristal.

El efecto fotorrefractivo puede utilizarse en holografía dinámica y, en particular, para la limpieza de haces coherentes. Por ejemplo, en el caso de un holograma, al iluminar la rejilla solo con el haz de referencia se reconstruye el haz de señal original. Cuando dos haces láser coherentes (generalmente obtenidos dividiendo un haz láser en dos mediante un divisor de haz y redirigiéndolo adecuadamente con espejos ) se cruzan dentro de un cristal fotorrefractivo , la rejilla de índice de refracción resultante difracta los haces láser. Como resultado, un haz 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 de mezcla de dos ondas . En esta configuración, la condición de difracción de Bragg se satisface automáticamente.

El patrón almacenado en el interior del cristal persiste hasta que se borra; esto se puede lograr inundando el cristal con una iluminación uniforme que excitará los electrones de vuelta 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 .