Photorefraktion

Der photorefraktive Effekt beschreibt die lichtinduzierte Brechzahländerung in photoleitenden, elektrooptischen Kristallen. Er wurde zunächst 1966 als störender Effekt ("optical damage") in Lithiumniobat bekannt.

Photorefraktive Materialien sind aus einer ganzen Reihe von Materialklassen bekannt, von denen anorganische Kristalle (z. B. eisendotiertes Lithiumniobat) die etabliertesten sind. Daneben konnte der photorefraktive Effekt in organischen Kristallen, organischen Polymeren und Gläsern, sowie Flüssigkristallzellen nachgewiesen werden.

Beschreibung

Photorefraktiver Effekt bei einem sinusförmigen Intensitätsmuster.

Grundlage des photorefraktiven Effektes ist eine Kombination verschiedener Materialeigenschaften wie folgt (triviale Forderungen, wie z. B. optische Transparenz werden vorausgesetzt):

1. Photosensitivität → optische Bestrahlung muss Ladungsträger erzeugen können.
2. Photoleitung → erzeugte Ladungsträger müssen beweglich sein.
3. Abhängigkeit der Brechzahl von einem elektrischen Feld (Elektrooptischer Effekt) → ein internes elektrisches Raumladungsfeld muss die Brechzahl des Materials beeinflussen können.

Der photorefraktive Effekt an sich kann formal in einen Mehrstufenprozess zerlegt werden, der wie folgt abläuft:

1. Ungleichförmige Beleuchtung des Substrates und Erzeugung mobiler Ladungsträger in den hellen Zonen
2. Umverteilung der Ladungsträger in dunkle Zonen durch verschiedene Transportprozesse (Drift, Diffusion, Photogalvanischer Effekt)
3. Ausbildung einer inhomogenen Raumladungsverteilung und eines entsprechenden internen elektrischen Feldes (Raumladungsfeld). Der Zusammenhang zwischen der Ladungsverteilung und dem Feld wird durch das Gaußsche Gesetz bestimmt.
4. Beeinflussung der makroskopischen Brechzahl des Systems durch das entstandene Raumladungsfeld über den Pockels-Effekt.

Man beachte, dass diese Schrittzerlegung rein formal ist und real faktisch simultan abläuft.

Mögliche Anwendungen

Photorefraktive Materialien haben als potentielle voll reversible optisch-holographische Datenspeicher eine gewisse Prominenz erlangt. Dazu wird zur ungleichförmigen Beleuchtung ein Interferenzmuster aus einem informationstragenden Laserstrahl und einem Referenzstrahl genutzt. Als Information kommt z. B. eine Bitmatrix in Frage. Diese kann dann als Hologramm in dem Material abgebildet und ggf. gespeichert werden. Auch analoge Bildverarbeitung ist denkbar, sowie eine Reihe weiterer damit korrelierter Anwendung, wie z. B. optische Kohärenztomographie zur nicht-invasiven Diagnostik.

Die Materialien konnten die anfangs hohen Erwartungen jedoch nur teilweise erfüllen. Die ständige Erweiterung des superparamagnetischen Limits und die damit nach wie vor konkurrenzlosen wirtschaftlichen Vorteile magnetischer Speichermedien haben diese Zukunftstechnologie als Datenmassenspeicher bis dato davon abgehalten die Schwelle vom physikalischen Phänomen zur kommerziellen Nutzung erwähnenswert zu überschreiten.

Als aktuell vielversprechendste potentielle Anwendung photorefraktiver Materialien wird die optische Kohärenztomographie betrachtet.