铌酸锂晶体是一种多功能、多用途的人工晶体材料，具有温度稳定性好、易于光学冷加工、性能易调控等优势。作为典型的光折变晶体，铌酸锂被广泛应用于高密度光存储、激光物理、信息处理和计算等研究与应用领域。伴随海量存储及动态全息三维显示的巨大需求与快速发展，基于铌酸锂晶体的三维光存储及动态显示再次成为研究热点。针对上述研究与应用，综述了铌酸锂晶体光折变全息存储及显示的原理、研究历史和最新进展，并对未来可能的发展方向进行了展望。

铌酸锂(LiNbO3, LN)是一种多功能多用途的人工晶体, 被称为“光学硅”。近期以铌酸锂薄膜(LNOI)为平台的集成光子学发展迅速, 有将“光学硅”变为现实的趋势。高集成意味着高局域高光强密度, 使铌酸锂晶体的光折变效应变得不容忽视。光折变效应是光致折射率变化的简称, 是非线性光学的重要组成部分。本文回顾了铌酸锂晶体光折变效应的发现和机理、不同掺杂及掺杂组合对光折变效应的调控, 重点介绍了铋镁双掺铌酸锂晶体的光折变性能及相关理论和实验结果, 概述了铌酸锂光折变波导和孤子, 及基于LNOI的集成光子学器件中的光折变效应, 并对未来的研究趋势进行了展望。期待我国发挥铌酸锂光折变研究及LNOI产业化的优势, 在光子学芯片的竞争中占据主导地位。

在连续谱激光(532 nm)照射下, 观察到联苯衍生物有光折变现象。本文制备了(4-羟基苯基)-5-嘧啶醇、4′-羟基-4-联苯基腈、3-氨基-4-苯基苯酚和4, 4′-Biphenol两类实验样品, 将联苯衍生物分别溶于N, N-二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中, 获得溶液浓度比为2wt%的4个溶液样品; 将联苯衍生物溶于无水乙醇通过常温慢速挥发, 制成了4个单晶体样品。在激光照射下, 2-(4-羟基苯基)-5-嘧啶醇、4′-羟基-4-联苯基腈和3-氨基-4-苯基苯酚3个溶液样品中观察到周期性对称的明暗相间的空间条纹。无论如何增大激光功率密度, 在4,4′-Biphenol溶液中, 都没有观察到类似的空间条纹。在强光功率密度照射下, 2 -(4-羟基苯基)-5-嘧啶醇、4′-羟基-4-联苯基腈、3-氨基-4-苯基苯酚3个单晶体出现光斑畸变, 同样在4, 4′-双酚单晶中没有观察到光斑畸变。在激光照射下或无光照射时, 测量到具有非对称基团的联苯衍生物样品的光电流与暗电流相差大约为10 nA。光斑畸变的伸长方向与激光的偏振态有关。在溶液和单晶样品中, 光斑畸变的光功率密度的阈值分别是100 W/cm2和10 W/cm2。上述实验结果可认为对称的周期性明暗空间条纹是由光折变效应引起的, 激光通过样品时, 由于联苯衍生物的极性分子受光电场的作用, 在光照区与非光照区产生空间电荷场, 由该空间电荷场引起样品折射率变化, 从而形成明暗相间的空间条纹。本文首次发现联苯衍生物是一种光折变材料。

为了研究厄米-高斯光束在光折变饱和非线性介质中的传输特性, 采用有限差分方法数值求解了光波演化方程,理论分析了厄米-高斯光束的传输特性。结果表明, 1维1阶、2阶和3阶厄米-高斯光束在光折变非线性介质中传输时, 在合适的非线性条件下, 均可以形成呼吸模式的孤子; 随着非线性的加大, 厄米-高斯光束的光场分量之间的相互分离趋势将逐渐变弱, 同时, 每个光场分量的振幅起伏效应会更加明显; 改变厄米-高斯光束的入射位置、入射角度对其传输特性没有影响; 2维厄米-高斯光束的传输特性和1维情况是类似的。厄米-高斯光束的这些特性在光开关领域有一定的应用前景。

用交替隐式差分法研究了高斯光束在二维正方格子和贝塞尔晶格中的传输特性。结果表明：高斯光束在二维正方格子中传输时可形成 能量主要集中在中心区域的晶格孤子,也可通过参数调节形成其他空间分立形态的孤子; 对贝塞尔晶格,当其横向尺度较小即入射高斯光束的能量主要集中在贝塞尔晶格的 中心信道时,可在一定外加电场和光伏电场参数下形成类三环孤子。逐渐增加晶格的横向尺度,可形成单一的类环形孤子和类高斯孤子。光折变晶格孤子的多样性在 全光孤子开关等方面具有潜在应用价值。

基于加偏压的单光子光折变晶体, 理论推导了线性和二次电光效应共同主导下的亮孤子族和暗孤子族的解, 数值研究了亮孤子族和暗孤子族的强度包络和稳定特性, 讨论了线性和二次电光效应在孤子族形成中的不同作用.结果表明: 线性和二次电光效应的相互作用能够增强亮孤子族的光折变非线性, 而减弱暗孤子族的光折变非线性.此外, 在传输过程中, 亮孤子族的各个分量能够稳定传输; 暗孤子族各个分量在较长传输距离时表现出不稳定性.

光诱导光子晶格是一种周期光学系统，其对光束传输的控制在全光交换、光开关等方面具有潜在应用。运用优化的交替隐式差分波传输法对非线性薛定谔方程进行数值仿真，研究了涡旋光束在光诱导自聚焦类方晶格中的传播特性、光子晶格对光束传输的影响以及形成涡旋孤子的条件。研究发现，不存在晶格时，涡旋光束会由于自聚焦效应而分裂成基态孤子；存在晶格时，离散涡旋孤子的稳定传输与外加电场、晶格深度、输入光强有关，非格点激励的一阶涡旋光束在合适的条件下能形成稳定传输的离散涡旋孤子。

研究了线性和二次电光效应共存的双光子光折变介质中沿同一直线传播的两空间光孤子间的相干耦合现象, 从理论上证实了在适当的条件下相干耦合的亮-亮和暗-暗孤子对的存在。结果表明, 这些相干耦合孤子对的形成、性质和传输规律依赖于介质内线性和二次电光效应间的相互作用(即相互增强、减弱甚至抵消)。详细分析了两相干入射光的初始相位差、强度比和外加电场等三个方面对相干耦合孤子对宽度及亮-亮孤子对的自转向过程的影响, 为相干耦合孤子对在实际中的应用奠定理论基础。

为了研究非相干耦合亮-暗孤子族的特性,采用数值模拟的方法,求解孤波耦合方程,在 综合考虑线性和二次电光 效应的情况下,分析了亮-暗孤子族的稳态解和传播特性。结果表明：当外加电场为正值时,系统所支持的亮-暗孤子族中, 各亮孤子分量的强度之和略大于暗孤子分量的强度之和,此时,线性和二次电光效应所导致的非线性是相互增强的。 当外加电场为负值时,系统所支持的亮-暗孤子族中,各亮孤子分量的强度之和略小于暗孤子分量的强度之和, 此时,线性和二次电光效应所导致的非线性是相互抵消的。此外,亮-暗孤子族中的各个分量均可以稳定传输。