光子材料课件

1ChapterSevenOpticalMaterials光子材料2ChapterSevenOpticalMaterials7.1概述7.2光纤7.3光子晶体7.4液晶材料7.5光学透明导电材料7.6非线性光学材料7.7发光材料7.8激光材料7.9光伏材料OUTLINE3ChapterSevenOpticalMaterials7.1概述光充满着整个宇宙：恒星发光，卫星反光，可见光、红外光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠星光或灯光。要利用光，就要创造或制造光学材料。自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。4ChapterSevenOpticalMaterials夜明珠珍珠猫眼石太阳光焰火光灯光5ChapterSevenOpticalMaterials春秋战国时期，墨子研究了光的传播规律，并且制造了世界上最古老的光学器件之一---青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。光学材料的发展及应用青铜镜望远镜6ChapterSevenOpticalMaterials20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业并使光学成为独立的研究领域。科学研究、工农业生产和人类生活等许多领域需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。光学材料已在国民经济和人民生活中发挥重要作用，成为人类社会必不可少的功能材料。7ChapterSevenOpticalMaterials光子学作为学术词汇最早由荷兰科学家Poldervaart提出。光子学是研究作为信息和能量载体的光子及其应用的一门技术性科学，它涉及光子的吸收、产生、传输、探测、控制、转换、存储、显示等，并由此形成了诸多相关器件，即光子器件，是光子学与技术的重要基础。光子器件分为有源（active)与无源(passive)器件两大类.按功能分类：光子源器件，控制器件，探测器件，存储器件与显示器件。光子学8ChapterSevenOpticalMaterials光学材料的分类外来光子作用上材料物理化学性能发生改变；材料对入射光子产生影响，改变光子的某些性质；外部能量环境作用下或内部结构改变，材料释放光子光学材料应具有以下特征：光子材料包括防反射材料，透明导电材料，液晶材料，偏光材料，滤光材料，光子晶体，双折射材料，光纤，发光材料，激光材料，非线性光学材料，感光成像材料，光伏材料，光固化材料，变色材料。9ChapterSevenOpticalMaterials全光通讯二十一世纪：internetera光纤电子器件全光器件能否控制光子的流动？7.2Fibre-opticalMaterials(光纤材料)10ChapterSevenOpticalMaterials光导纤维：简称“光纤”，是一种能利用光在石英玻璃或塑料制成的纤维中的全反射作用来传导光线的光传导工具。11ChapterSevenOpticalMaterials光导纤维的历史1870年英国科学家丁达尔在皇家学会上表演了一个实验装置。他用光照亮盛水器内壁小孔，让水从孔内流出，使大家看到光不再直线前进，而是顺着水流弯曲传送。1930年德国的兰姆用石英纤维代替水流，作了光的弯曲传送实验，并叙述了纤维光导的特性。1951年英国霍布金斯等人进一步研究了图像在一束可弯曲的玻璃纤维内传送的规律，制造出了纤维内窥镜。1966年，英籍华人高锟最先提出用玻璃纤维进行远距离激光通信的设想-“光纤之父“。12ChapterSevenOpticalMaterials60年代，光纤损耗超过1000dB/km。1973年，美国康宁公司制成传输损耗小于20dB/km的光纤。1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km。低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。1976年，美国在芝加哥两个相距7千米的电话局间首次进行了光纤通信试验，实现了一根光纤能够同时容纳8000对人通话80年代末，横跨太平洋、长达8300km以及横跨大西洋、长达6300km的海底光缆线路，先后建成并投入使用。1993年美国政府提出信息高速公路构想，把光纤通信推进到一个新阶段。现在以光纤光缆为主体的网络已遍布全球。光纤通信成为现代通信、信息社会中信息传输和交换的主要手段。光导纤维的研究13ChapterSevenOpticalMaterials“以玻璃制造一条比头发还要纤细的光纤，代替体积庞大的千百万条铜线，作为传送容量几近无限的信息传送管道，是现代信息高速传输的重要载体。”——光纤之父高锟光纤的优点：1、信息量大：每根光纤理论上可同时通过10亿路电话。2、直径小、重量轻：单模光纤芯线直径一般为4-10um，每公里27g。3、性能好：抗电磁干扰、保密性强、抗腐蚀、强度高。4、成本低：每公里1万元左右。光导纤维的特性14ChapterSevenOpticalMaterials7.2.1光导纤维的基本构造纤芯位于光纤中心，直径2a=4μm～50μm，单模光纤的纤芯为4μm～10μm，多模光纤的纤芯为50μm。成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(如GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号。包层位于纤芯外层，直径2b=125μm，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1＞n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。15ChapterSevenOpticalMaterials涂敷层包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。16ChapterSevenOpticalMaterials7.2.2光纤分类17ChapterSevenOpticalMaterials（1）．石英光纤目前光通信所应用的唯一商品化材料，主要由SiO2构成，一般采用SiCl4或硅烷等挥发性化合物进行氧化或水解，通过气相沉积获得低损耗石英光纤预制件，再进行拉丝。根据传播模式对折射指数断面分布的要求，可在制备预制件的过程中，加入挥发性氯化物作添加剂。用锗可提高折射指数，用硼可降低折射指数。新的动向是采用氟，例如加入CF4或CCl2F2降低包层的折射指数。加入磷(加POCl3)用来降低石英光纤的熔点。7.2.2.1按材料分类18ChapterSevenOpticalMaterials特点：石英光纤具有带宽宽，衰减低等特点，是长距离通信的理想传输介质，但在光纤入户时会遇到困难，其芯径太细，在光纤耦合，互接中需要高精密度对准，会想起很在原耦合损耗，连接器件成本和安装费用大的太大增加了系统的造价。掺杂石英光纤掺杂石英主要是为了提高或降低折射率，以分别满足纤芯和包层材料性能所需。掺杂元素最终大多以氧化物形式分散于石英中，如GeO2、TiO2、Al2O3、ZrO2、B2O3、P2O5等，但掺杂氧元素是以SiF4形式存在。这些掺杂元素的原料大多是可以气化的卤化物，便宜于高温气相掺杂。19ChapterSevenOpticalMaterials（2）聚合物光纤全塑料光纤：主要由特制的高透明度有机玻璃、聚苯乙烯等塑料制成，已制成阶跃型和梯度型多模光纤，目前光纤损耗已降至数十dB/km。通信主干线由石英光纤制成的光缆承担，入户工程由聚合物光纤实现。聚合物光纤：毫米量级的尺寸及大的数值孔径使它在连接和安装处理方面比较容易，价格低廉，可塑性强，重量轻，施工方便，无电磁兼容问题，可以使用廉价的LED及LD作为信号源。缺点是损耗大，耐热性低，使用寿命相对较短。20ChapterSevenOpticalMaterials（3）液芯光纤液芯光纤是一种新型结构的光传输产品，它采用液体材料作为芯，聚合物材料作为光学包层和保护层，具有大芯径，大数值的孔径，光谱传输范围广，光谱传输效率高，使用寿命长的特点。特别适合传导紫外光。填充于管内的液体可以是折射率略高于管壁，物化性质稳定，透光性优良的液体，选择比较广泛。早期采用简单的无机盐水溶液，后来采用有机液体，包括醇类，硝基苯，氯苯，四氯乙烯，四氯化碳，二硫化碳等。优点：可避免耦合损耗，不存在传光效率下降的问题，可适合于大功率的光源，结构简单，性能稳定主要应用于光谱治疗，紫外固化，紫外光刻，荧光检测等。21ChapterSevenOpticalMaterials突变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。渐变型光纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。7.2.2.2按折射率分布分类相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个光信号模式同时传输，所以皆称为多模光纤。22ChapterSevenOpticalMaterials单模光纤(SignalModeFiber)：仅允许一个模式传播的光纤。多模光纤(MultipleModeFiber)：同时允许多个模式进行传播。光纤是不是单模传输，与光纤自身的结构参数和光纤中传输的光波长有关。7.2.2.3按光纤传输模式分类23ChapterSevenOpticalMaterials渐变型光纤：N(r)=n0(1-1/2Ar2)A为折射率分数常数，n0为光纤轴芯折射率，nr为光纤中心轴至轴向距离为r时的折射率。使高模光按正弦传播，减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本高。现在的多模光纤多为渐变型光纤。多模光纤的类型24ChapterSevenOpticalMaterials当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长(1550nm)，单模光纤芯径为8~12mm，而多模光纤芯径50mm。单模光纤不存在模间色散，带宽大，用于长途传输。但是芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励多模光纤芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源。但是存在模间色散，只能用于短距离传输。25ChapterSevenOpticalMaterials•光的折射定律：•临界角与光的全反射：1221sinsinnn2/)/arcsin(2121nn7.2.3光纤传输特性26ChapterSevenOpticalMaterials使用一束纤维来传输光时，一端将图像分割成为和纤维丝数目一样多的像元，并且两端的纤维束排列是一一对应关系，另一端可以重新会聚成图像，这就是光纤传像的原理。光的折射定律：n0sinΦ=n1sinΦ1，当光疏介质入射到光密介质，即n1n0≈1，则Φ1Φ；反之，则ΦΦ1。当Φ→ΦM时则有Φ1=π/2，当ΦΦM时出现全反射现象。光导纤维传像的原理CompanyLogo27ChapterSevenOpticalMaterials光纤中存在两种损耗机制：一种是吸收，这是光与光纤本身(在某些波长情况下)和光纤中的杂质相互作用的结果，引起电子跃迁。其后这些电子放出另一种波长的光子或者把能量变成机械振动(热的形式)放出。另一种能量损失是散射的方式，纤维的组织结构的不完整性(