光电功能材料课程-7

《光电功能材料》7刘磊Tel：84315437Email:[e-mail]3.光功能材料3.1.激光材料3.2.光纤材料3.3.发光材料3.4.超分子体系3.5.太阳能材料3.6.纳米材料3.7.液晶材料3.2.1光导纤维材料光通信中用于传播光信息的光学纤维所用的材料，称为光纤材料，又称为光波导纤维材料。光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成，目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数µm到数百µm。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。1966年，英籍华人高昆(K．C．Kao)和他的同事Hockham以及法国的Werts根据介质波导理论提出光纤传输线的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达1000dB／km，但他们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低到20dB／km。（光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示）光导纤维传输点光源示意图光纤结构示意图光纤芯线结构光在光纤中传输的基本原理1全反射现象当光射到两种介质界面，只产生反射而不产生折射的现象．当光由光密介质射向光疏介质时，折射角将大于入射角．当入射角增大到某一数值时，折射角将达到90°，这时在光疏介质中将不出现折射光线，只要入射角大于上述数值时，均不再存在折射现象，这就是全反射．所以产生全反射的条件是：①光必须由光密介质射向光疏介质．②入射角必须大于临界角(C)．光在光纤中传输的基本原理2光在光纤中传播原理光学纤维中光的传送是利用光的全反射原理，入射光束以大于临界角的角度入射到芯子与包层的界面上，光线在界面上发生全反射，在芯中以锯齿状路径曲折前进，不会穿出包层，避免了光在传播时的折射损耗。光在光纤中传输的基本原理①传导光束。光在均匀透明的，弯曲的玻璃棒的光滑内壁上,借助于接连不断地全反射,可以从一端传导到另一端，如图2a所示。当棒的截面直径很小，甚至到数微米数量级，传导的效果也不变，这种导光的细玻璃丝称光学纤维。光在纤维中的传导有专门的波导理论来论述，但是也不妨用光的全反射来作一般的解释光纤材料特征值①传输损耗Q传输损耗Q指光在纤维中传输途中的损耗，用下式表示：式中I1入射光强I2出射光强Q传输损耗Q的绝对值越大，光信息传播的距离就越短，越小，光信息传播的距离就越远。Q值是衡量光学纤维通信介质质量好坏的一个最重要的指标。12log10IIQ光纤材料特征值形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗，本征散射和波导散射三种1吸收损耗：吸收损耗又分为本征吸收，杂质吸收和OH-离子吸收本征吸收是物质的固有吸收，是组分原子振动产生的吸收，位于8-12微米的红外区域和一个紫外波段。杂质吸收主要有Cu2+,Ni2+等杂质，它的吸收峰位于可见和红外区域当原料经过多次精制后，金属杂质的吸收几乎完全消除，这时OH-离子的吸收就成为一种重要的杂质吸收损耗光纤材料特征值形成光学纤维传播损耗的机理有吸收损耗，本征散射和波导散射三种2本征散射本征散射是物质散射中最重要的，又成为瑞利散射，它是由玻璃熔制过程中造成的密度不均匀而产生的折射率不均匀所引起的散射，与波长的四次方成反比，这种损耗随波长的增加而很快减小另外掺杂不均匀也能引起散射，产生损耗3波导散射是由波导的结构缺陷产生的，如波导芯的直径有起伏，界面粗糙，凹凸不平，就会引起传导模的附加损耗波导：waveguide，能限定和引导电磁波在长度方向上传播的管道光纤传输信息具有许多优点：●载频为3×1014Hz，约为电视通信所用超高频的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；●传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。在理论上，光纤可以传送107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大5个数量级。●光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。因此不受干扰，基本上能防范电子间谍。●尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥挤问题。●光纤材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常丰富。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石英折射率低的杂质。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。●石英光纤目前光通信所应用的唯一商品化材料。石英光纤主要由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。●多组分玻璃光纤SiO2约占百分之几十，此外还含有B2O3、GeO2、P2O3和As2O3等玻璃形成体及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和PbO等改性剂，熔点低(＜1400℃)，可用传统的坩埚法拉丝，适于制做大芯径、大数值孔径光纤。●全塑料光纤和塑料包层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。其特点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。塑料包层光纤是以石英作纤芯、塑料作包层的阶跃型多模光纤。其芯径和数值孔径都较大，适于短距离小容量通信系统应用。●红外光纤石英光纤在1.3至1.5µm的区域内具有最低的损耗和色散，损耗已降低到0.15dB/km(1.55µm)，接近于0.1dB/km的理论极限。但其传输距离由于瑞利散射不会超过200km。利用散射损耗与波长四次幂成反比的关系，制造出适用于长波长的光纤，使损耗进一步降低，就能延长传输距离。5000km传输距离如用0.83µm的光纤传输系统，需333个中继站，而用1.5µm的系统有33个中继站就够了。各发达国家已着眼于2~30µm的新的传输波段，对卤化物、硫属化物和重金属氧化物等红外光纤做了大量开创性工作。A卤化物光纤其制造难度比氧化物光纤大，且需保护涂层，但传输损耗理论值比石英光纤小l至2个数量级，有可能实现几千公里无中继通信。卤化铊卤化铊有较好的延展性，已挤压出直径75~1000µm、长200m的多晶纤维。溴化铊或碘化铊多晶光纤在4.0~5.5µm时损耗最低，可达0.0ldB/km。多晶KRS5(TlBrI)和KRS6(TlClI)作为非通信光纤在外科手术、激光材料加工、军事应用等短距离应用中，日益受到重视。KRS5在10.6µm的最低损耗为350dB/km，KRS6为ldB/km。采用KRS6作包层，KRS5作芯线，已获得损耗0.2dB/m，NA为0.96(在10.6µm)的光纤。氟化铍在红外区的本征损失为石英的l/6，可拉制透射2µm波段的光纤。该种光纤有可能将光信号无中继传输数百甚至上千公里。氟化锆理论损耗达0.001dB/km(2.55µm)(比最好的石英光纤低两个数量级)，透过率可达氧化物玻璃的100倍，且受高能辐照不易黑化。氟化锆基玻璃的主成分为氟化锆(60~70mol％)，并以氟化钡(20~30mol％)为改性剂(降低熔点)，以少量其它氟化物作稳定剂(如AlF3、LaF3、PbF2作结晶化抑制剂)和指数改性剂(如PbF2)，借以获得合适的纤芯和包层组分。这种玻璃光纤的透射波长范围从7~8µm的红外区一直延伸到0.2~0.3µm的近紫外区。拉出的Zr（锆）－Ba－La－Al－Li－Pb(纤芯)／Zr－Ba－La－Al－Li(包层)氟化物光纤，在2.55µm下的最低损耗为6.8dB/km，纤维的“实用”强度高达3800MPa。估计氟化物玻璃光纤接近0.001dB/km的最低理论损耗，从而实现横跨大洋的通信。B硫属玻璃光纤砷、锗、锑与硫属元素硫、硒构成的玻璃叫硫属玻璃，光学损耗高，主要用于短距离传能。目前己拉出在CO和CO2激光波长下损耗为数百dB的纤维。在一根光纤上能传输数瓦的能量，这对拓宽CO2和CO大功率激光器的应用领域有重要意义。C重金属氧化物光纤对此类纤维的研究，主要局限于GeO2系统。抽成丝后最小损耗约为4dB/km(2µm)。可用作红外光纤、非线性光学光纤，尤其是可用来实现光信号放大，有可能用于超长距离光学传输系统。光纤制造工艺以石英光纤为例，实用的制造方法有内气相氧化法(IVPO)、外气相氧化法(OVPO)、改进的化学气相沉积法(MCVD)、气相轴向沉积法(VAD)及等离子化学气相沉积法(PCVD)等。欧美及我国主要采用改进的化学气相沉积法MCVD法，该法提高了反应物浓度使沉积速率，比化学气相沉积(CVD)法快100倍以上，并且可在数小时内将预制件拉成几公里长的多模纤维，由于简单实用，已成为常规的光纤生产方法。日本则开发气相轴向沉积法VAD工艺，除回收率高外，还可制成大型预制件(达2500g，可拉制50µm芯径的光纤580km)，可采用低纯原料。光纤发展趋势及应用光纤是在当今铜资源不足及高技术的迫切要求下，获得空前发展的。以SiCl4为主要原料的石英光纤，经历了0.85µm多模(最低损耗2~3dB/km，无中继距离一般8km)、1.3µm多模(最低损耗0.41dB/km)、1.3µm单模(最低损耗0.35dB/km，无中继距离30~50km)，1.5µm单模(最低损耗0.14~0.16dB/km，无中继距离可达100km)几个阶段。损耗越来越小，无中继距离越来越长。1.3µm单模和多模光纤已发展成熟。光纤发展趋势及应用光纤技术正向更长波长发展。因此研制长波长光纤材料，特别是氟化锆基等非石英光纤，对实现洲际海底光缆的无中继通信具有重大战略意义。此外，光纤传感器在温度、压力、速度、液面、流量、位移、振动、电磁参数及核辐射等的测量中有广阔的应用前景。在医学上利用光纤可以制作内窥镜和光刀，用于诊断和手术。光学纤维还可以做成光纤转换器，用于高空侦察系统和星光摄谱系统等方面。