探索--具有微納結(jié)構(gòu)的固態(tài)立體彩色顯示材料與器件

1、課題類型：1.探索導向類 申請受理編號:2.目標導向類 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）專題課題申請書技術(shù)領(lǐng)域名稱：新材料領(lǐng)域?qū)ｎ}名稱： 納米材料與器件申請指南技術(shù)方向：納米電子，光子材料與器件課題名稱： 具有微納結(jié)構(gòu)的固態(tài)立體彩色顯示材料與器件 申請人：依托單位:中華人民共和國科學技術(shù)部二零零六年 九月 十 日5三、課題情況3.1課題簡介（簡要說明課題的目的意義、主要研究內(nèi)容、預(yù)期目標等。字數(shù)要求1000字以內(nèi)）全固態(tài)三維立體彩色顯示在文化娛樂、醫(yī)療診斷、飛行模擬、汽車和建筑設(shè) 計等方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景，是當今國際上重要科學研究前沿領(lǐng)域之一。 本課題旨在探索開拓一種基于二階光學非線

2、性效應(yīng)實現(xiàn)空間選擇性頻率轉(zhuǎn)換這種 全新原理的全固態(tài)立體彩色顯示材料和系統(tǒng)。本課題的主要研究內(nèi)容：1） 選擇能析出二階光學非線性微晶的玻璃系統(tǒng)，制備化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性 好的的玻璃，進行折射率、密度等測定和性能表征 2） 研究材料的晶核形成和晶體生長的動力學過程，探討形成透明微晶玻璃的 熱處理工藝。3）優(yōu)化玻璃組成和工藝條件，獲得大尺寸（20 X20 X20mm3）高透明微晶玻璃。4）用XRD、透射電鏡等分析晶粒的形貌和尺寸分布，研究晶化機理。5）研究納秒、皮秒、飛秒激光聚焦照射下發(fā)光分布、光譜特性及超快響應(yīng)。6）建立計算機控制振鏡掃描系統(tǒng)，進行全固態(tài)立體彩色動態(tài)顯示演示。本課題的預(yù)期目標：開發(fā)

3、出適合于全固態(tài)立體彩色顯示的材料，申請相關(guān)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專 利，并且開發(fā)出能進行三維立體彩色顯示的原型器件和系統(tǒng)。為開拓三維立體彩 色顯示的國際市場，參與國際競爭奠定基礎(chǔ)，提供技術(shù)儲備。主要技術(shù)指標如下：1）三維立體彩色顯示用透明微晶玻璃的尺寸大小20 X20 >20mm3,均勻性An 0.01 ;可見光（400750nm ）范圍內(nèi)的透過率80%.2）原型器件和系統(tǒng)的成像掃描速度100像素/秒3）采用同一塊塊體材料實現(xiàn)紅、藍、綠的立體彩色顯示。擬申請全固態(tài)立體彩色顯示的材料和器件相關(guān)專利56項。發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文10篇。培養(yǎng)博士生2名、碩士生3名。3.2課題主要研究技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)

4、狀與趨勢，課題主要研究技術(shù)國內(nèi)外專利 授權(quán)情況長期以來人們一直在尋求一種能夠在三維空間內(nèi)顯示圖象的技術(shù)。電視是已 經(jīng)相當成熟的平面顯示。觀察者只能在正對屏幕的一定區(qū)域內(nèi)觀察圖像，不能獲 得任何關(guān)于圖像的深度信息。三維立體顯示則不受觀察者所在位置的影響，觀察 者可以圍繞顯示體360 o進行觀察。并且三維顯示所能表達的信息量遠遠超過了平 面顯示，它能即時表現(xiàn)物體任何一個角度任何一個部位的動態(tài)信息。這些優(yōu)點使 得三維立體顯示技術(shù)在光信息、醫(yī)療、國防等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，現(xiàn)在世 界各國都在競相開發(fā)相關(guān)的三維立體顯示技術(shù)。目前仍然有很多研究者利用二維 顯示技術(shù)來表現(xiàn)三維立體空間，稱之為虛擬三維顯示，

5、如日本東芝公司開發(fā)了一 種平面立體顯示技術(shù)。其原理主要是利用了人的雙眼的視差，禾I用左眼和右眼接 收到的不同圖象，從而產(chǎn)生立體的感覺。但是由于其存在圖形顯示更新頻率低， 動態(tài)顯示困難、圖形分辨率低等問題，不能滿足未來立體顯示的要求；另一種三 維顯示技術(shù)一一全息術(shù)則利用的是光的干涉。它不同于平面顯示技術(shù)，它顯示的 圖象具有真實的體積，然而全息映像技術(shù)僅僅是記錄物體的靜態(tài)立體映像，尚不 能主動創(chuàng)造立體圖像，不適合計算機的控制，而且對觀察范圍也有較大的限制。體三維顯示技術(shù)顯示的是真實的立體圖像，如Perspecta (Proc. SPIE4297(2001)227)系統(tǒng)。Perspectra的旋轉(zhuǎn)面

6、是一個直立投影平面。在顯示物體的 三維圖像時，先通過軟件生成物體的剖面圖，將構(gòu)成物體的剖面圖高速投影到高 速旋轉(zhuǎn)的投影面上去，利用人眼視覺的暫留效應(yīng)產(chǎn)生物體的立體影像。Perspectra采用了三塊DLP (數(shù)字光處理)芯片，分別控制形成紅、綠、藍三種顏色的剖面 圖像，通過底座固定的光學系統(tǒng)以及隨馬達同步旋轉(zhuǎn)的光中繼鏡片的反射，最終 投影至屏幕上面。但是Perspectra的掃描體顯示由于旋轉(zhuǎn)屏幕遮擋造成的死區(qū)太 多，并且對旋轉(zhuǎn)屏幕的平穩(wěn)性要求較高，任何震動都會造成圖像的模糊甚至難以 辨認。靜態(tài)體顯示的顯示體并不需要高速旋轉(zhuǎn)的投影屏來獲得一個“體積”，顯示體本 身就擁有一定的體積。激光束照射到

7、顯示體內(nèi)部某一點激發(fā)出熒光，利用人眼視 覺的暫留效應(yīng)，當激光快速地依次激發(fā)顯示體內(nèi)部空間中的點時就可以形成一幅 三維立體圖像，圖像以一定的頻率進行更新便能夠表現(xiàn)動態(tài)的圖像，是今后發(fā)展 的一個方向。美國斯坦福大學的Downing等在1996年研發(fā)了一種三維顯示技術(shù)。 顯示體是摻雜了稀土的重金屬氟化物玻璃；激發(fā)源是三對紅外激光器。為了能達 到三色顯示，Downing用了三種不同的摻雜物：錯產(chǎn)生紅光，銩產(chǎn)生藍光，鉺產(chǎn) 生綠光。為了解決能級不同的三種稀土元素的混合造成的交叉吸收等問題，采用 了 100 Jm到500 Jm的薄層，薄層之間通過折射率相同的光學粘著劑粘接，薄層 摻雜不同的稀土元素。每一種摻

8、雜物都要靠波長合適的激光交叉才能激發(fā)。通過 使用計算機控制的掃描系統(tǒng)，發(fā)光點可以在顯示體內(nèi)任何一點顯現(xiàn)，從而構(gòu)成復(fù) 雜的圖像結(jié)構(gòu)。因為發(fā)光點在激發(fā)源移開后就馬上消失，所以圖片必須有規(guī)律地 更新。30Hz到100Hz的速率可以避免圖像閃爍。他們成功演示了利用上轉(zhuǎn)換熒 光的立體顯示。他們的論文在 Science 273(1996)1185-1189上發(fā)表后引起了轟 動，被評為當年世界十大科技進展。表明了整個世界對這種體三維顯示的普遍關(guān) 注和重視。3.3課題主要研究內(nèi)容、擬解決的技術(shù)難點和主要創(chuàng)新點，現(xiàn)有研究基礎(chǔ)Downing等提出的利用稀土離子激發(fā)態(tài)躍遷的上轉(zhuǎn)換熒光的三維彩色顯示雖 然非常有意義，

9、但存在1 ）顯示材料制造非常繁復(fù) 2）Pr等離子的發(fā)光顏色不純 3 ）分辨率低4 ）需要兩束光匯聚，系統(tǒng)復(fù)雜 5）存在基于激發(fā)態(tài)壽命的幽靈點 現(xiàn)象。本課題旨在探索提供一種既解決了繁復(fù)的顯示體成型工藝問題，發(fā)光色純， 分辨率高，不存在幽靈點現(xiàn)象的透明介質(zhì)內(nèi)部形成三維彩色顯示用材料和系統(tǒng)。其工作原理是當將肉眼不可見的近紅外激光（包括連續(xù)和脈沖激光）照射到 含有納米尺度（1納米-1000納米）二階非線性光學微晶的透明介質(zhì)時，在激光 焦點附近會產(chǎn)生光強與激光光強的平方成正比的倍頻（可見區(qū)域的）散射光。改 變激光的波長，具有超高速響應(yīng)的倍頻光的波長相應(yīng)改變。通過高速掃描從而可 實現(xiàn)在透明介質(zhì)內(nèi)部的三維動

10、態(tài)彩色立體顯示。（1）主要研究內(nèi)容1）選擇能整體析出二階光學非線性微晶的玻璃系統(tǒng)，熔制化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的的玻璃，進行折射率、密度等測定和性能表征。2 ）研究材料的晶核形成和晶體生長的動力學過程，探討形成透明微晶玻璃的熱處理工藝。3）優(yōu)化玻璃組成 和工藝條件，獲得大尺寸（20 &0 X20mm3）高透明微晶玻璃。4）用XRD、透 射電鏡等分析晶粒的形貌和尺寸分布，研究晶化機理。5 ）研究納秒、皮秒、飛秒激光聚焦照射下發(fā)光形狀、光譜特性及超快響應(yīng)。6）建立計算機控制振鏡掃描系 統(tǒng)，進行全固態(tài)立體彩色動態(tài)顯示演示。（2 ）技術(shù)難點與主要創(chuàng)新點本課題的技術(shù)難點在于：微晶玻璃如零膨脹微晶玻

11、璃可以做得很大，且已得 到廣泛應(yīng)用。但具有二階光學非線性的透明微晶玻璃迄今為止只局限在純基礎(chǔ)研 究，沒有任何關(guān)于大尺寸微晶玻璃研究和應(yīng)用方面的報導。我們將系統(tǒng)探索與組3.4課題預(yù)期達到的目標、主要技術(shù)指標，可獲得專利等知識產(chǎn)權(quán)及人才培養(yǎng)情 況通過本課題的研究，開發(fā)出適合于全固態(tài)立體彩色顯示的材料，申請相關(guān)具 有自主知識產(chǎn)權(quán)的專利，并且開發(fā)出能進行三維立體彩色顯示的原型器件和系統(tǒng)， 為開拓三維立體彩色顯示的國際市場，參與國際競爭奠定基礎(chǔ)，提供技術(shù)儲備。 主要技術(shù)指標如下：1）三維立體彩色顯示用透明微晶玻璃的尺寸大小20x20x20mm 3，均勻性AnW 0.01 ;可見光（400750nm ）范

12、圍內(nèi)的透過率80%.2）原型器件和系統(tǒng)的成像掃描速度100像素/秒3）采用同一塊塊體材料實現(xiàn)紅、藍、綠的立體彩色顯示。擬申請全固態(tài)立體彩色顯示的材料和器件相關(guān)專利56項。發(fā)表高質(zhì)量學術(shù)論文10篇。培養(yǎng)博士生2名、碩士生3名。3.5課題擬采取的研究方法，課題技術(shù)路線（或?qū)嵤┓桨福┘捌淇尚行苑治觯? ）研究方法1 ）材料制備在歸納和總結(jié)已有文獻的基礎(chǔ)上，選擇具有良好化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性且能 在晶化溫度附近整體而不是表面產(chǎn)生具有二階光學非線性的微晶析出的氧化物玻 璃（主要為硅酸鹽玻璃也包括其它氧化物玻璃如鍺酸鹽、傢酸鹽、鉍酸鹽、碲酸 鹽和磷酸鹽玻璃）；獲得尺寸10 X10 xiOmm3的均勻玻璃；用

13、光學顯微鏡和電子 顯微鏡觀察分析玻璃的微觀結(jié)構(gòu)（析晶、分相等）。2）晶化工藝摸索用差熱分析（DTA）、X射線衍射和透射電鏡研究玻璃的析晶穩(wěn)定性和晶化動 力學過程；研究晶核形成和晶體生長規(guī)律，分析晶粒尺寸大小和分布對折射率及 光透過率的影響規(guī)律，用透射電鏡和電子能量損耗譜分析析出的微晶的結(jié)構(gòu)。3）空間選擇性發(fā)光特性的研究采用納秒、皮秒和飛秒激光以及光學顯微鏡觀察系統(tǒng)研究基于二階光學非線 性效應(yīng)的空間選擇性發(fā)光的立體分布和變化規(guī)律，用泵浦探測技術(shù)研究發(fā)光的時 間響應(yīng)特性。4）三維彩色顯示構(gòu)建計算機控制振鏡系統(tǒng)，設(shè)計優(yōu)化相關(guān)的軟件。（2）課題技術(shù)路線通過玻璃研制f晶化處理f性能表征f反過來指導玻璃組

14、成。設(shè)計和晶化工藝 優(yōu)化的技術(shù)路線，首先開發(fā)具有優(yōu)異光學質(zhì)量的尺寸 20 X20 X20mm3的玻璃；優(yōu) 化晶化條件，控制晶核形成和晶體生長，獲得空間選擇性發(fā)光性能優(yōu)異的透明微 晶玻璃；優(yōu)化設(shè)計計算機控制掃描系統(tǒng)，進行立體彩色顯示。（3）可行性分析我們已經(jīng)進行了初步的探索，發(fā)現(xiàn) Sr2TiSi2O8系透明微晶玻璃在用短脈沖的 近紅外激光聚焦照射時，在透明微晶玻璃內(nèi)部的焦點附近產(chǎn)生基于倍頻效應(yīng)的可 見光。調(diào)節(jié)近紅外激光的波長，產(chǎn)生的可見光的波長相應(yīng)改變，演示了空間選擇 性紅、藍、綠發(fā)光。并且利用泵浦探測發(fā)現(xiàn)發(fā)光的時間響應(yīng)快達200fs。表明基于這種原理的三維彩色顯示具有現(xiàn)實性和可能性。我們已申請

15、相關(guān)專利。6本課題將在此基礎(chǔ)上繼續(xù)探索，制備出能夠?qū)崿F(xiàn)大尺寸三維立體顯示的透明微晶玻璃材料，為我國三維立體顯示器件的研制及產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)真正具3.6課題預(yù)期研究成果對相關(guān)技術(shù)發(fā)展的影響和應(yīng)用轉(zhuǎn)化前景的預(yù)測（包括國內(nèi) 外應(yīng)用或市場現(xiàn)狀、潛在用戶、市場前景，經(jīng)濟效益和社會作用等）本課題研究的基于二階光學非線性效應(yīng)的全固態(tài)立體三維彩色現(xiàn)在在國內(nèi) 外尚無這方面的報導。在國外像全息成像再現(xiàn)系統(tǒng)、虛擬三維顯示和頻率上轉(zhuǎn)換 三維立體顯示已走向市場，但仍局限在一些博物館、展覽館、大型娛樂場或原理 性演示。我們提出的富有創(chuàng)新性的基于微納結(jié)構(gòu)二階光學非線性效應(yīng)的全固態(tài)立 體彩色顯示具有區(qū)別于其它技術(shù)的明顯優(yōu)

16、點，如制備工藝簡單、分辨率高、不存 在幽幻點等，是全新的立體彩色顯示技術(shù)，在今后將會具有巨大的市場，不僅可 用在科技館、展覽館和游樂場等，而且在醫(yī)療、國防、軍事等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng) 用前景，甚至我們可以期待在將來替代現(xiàn)在的平面電視走入每個尋常百姓家。如 研制成功，將會帶來明顯的經(jīng)濟效益，并產(chǎn)生深遠的社會影響，象DVD、電視一樣滲透每一個角落，改變?nèi)藗兊氖澜缬^和生活方式。這種全新的立體顯示方法的出現(xiàn)將大大推動立體顯示材料和器件及系統(tǒng)相 關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，對整個國民經(jīng)濟起到很好的推動作用。預(yù)計在不久的將來將會有 很多廠家和研究機構(gòu)參與開發(fā)，并實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。173.7課題組現(xiàn)有及依托單位承諾提供的支撐條件，

17、其它所需增添的支撐條件和主 要儀器設(shè)備（說明用途）本項目依托硅材料國家重點實驗室所屬光子材料研究室。研究室近年來在激 光與材料的相互作用、強場誘導功能微結(jié)構(gòu)、微光子學器件制備等方面取得了多 項研究成果，積累了經(jīng)驗。目前的工作包括激光與物質(zhì)的相互作用，飛秒激光超 精細加工和微結(jié)構(gòu)制備、電子束誘導納米微結(jié)構(gòu)、光子晶體和光子玻璃研制等。 研究室現(xiàn)擁有1KHz的飛秒激光器（Spectra-Physics公司產(chǎn)，）一臺，可調(diào)諧納 秒激光系統(tǒng)（美國 Continnum公司）一臺，各種波長的半導體激光器 ，高性能 TEMoo模CO2激光器和高功率 Ar+激光器（Spectra-Physics公司產(chǎn)），各類光

18、譜 表征儀器（日本分光JASCO紫外-紅外分光光度計，日本分光紫外可見熒光光譜 儀,J-Y-SPEX系列顯微拉曼光譜儀），100-1700 C的各種玻璃熔制和熱處理電爐, 小型精密切割和拋光機。另外還有氣氛爐和溶膠-凝膠鍍膜裝置。這些實驗條件均 是和本申請項目的研究工作直接相關(guān)的。本課題將使用的主要儀器設(shè)備將應(yīng)用實 驗室已有的條件。結(jié)構(gòu)測試和表征方面將主要利用的測試中心的現(xiàn)有條件。三維掃描系統(tǒng)將采用國產(chǎn)的振鏡和控制系統(tǒng)進行構(gòu)建。3.8課題經(jīng)費支出預(yù)算（包括總經(jīng)費和申請 863計劃經(jīng)費的支出預(yù)算）單位：萬元科目預(yù)算數(shù)申請從863計劃 經(jīng)費中列支數(shù)國撥1、人員費5510.52、設(shè)備費9993、材料費2020194、測試化驗加工費1212155、燃料動力費9966、差旅費121267、會議費101018、國際合作與交流費99109、出版/文獻/信息傳播/知識產(chǎn)權(quán)事務(wù)費66810、專家咨詢費331.511、管理費55712、其它費用00合計10010093四、協(xié)作單位基本情況（包括協(xié)