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(dǎo)向類 申請(qǐng)受理編號(hào)： 2.目標(biāo)導(dǎo)向類 國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）專題課題申請(qǐng)書 技術(shù)領(lǐng)域名稱： 新材料領(lǐng)域 專題名稱： 納米材料與器件申請(qǐng)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(qǐng) 人： 依托單位： 中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部二零零六年 九月 十 日三、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(biāo)等。字?jǐn)?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(jì)等方面有著非常廣闊的應(yīng)用前景，是當(dāng)今國際上重要科學(xué)研究前沿領(lǐng)域之一。本課題旨在探索開拓一種基于

2、二階光學(xué)非線性效應(yīng)實(shí)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(xué)非線性微晶的玻璃系統(tǒng)，制備化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的的玻璃，進(jìn)行折射率、密度等測(cè)定和性能表征.2）研究材料的晶核形成和晶體生長的動(dòng)力學(xué)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（20×20×20mm3）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(jī)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(jì)算機(jī)控制振鏡掃描系統(tǒng)，進(jìn)行全固態(tài)立體彩色動(dòng)態(tài)顯示演示。本課

3、題的預(yù)期目標(biāo)：開發(fā)出適合于全固態(tài)立體彩色顯示的材料，申請(qǐng)相關(guān)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利，并且開發(fā)出能進(jìn)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(chǎng)，參與國際競爭奠定基礎(chǔ)，提供技術(shù)儲(chǔ)備。主要技術(shù)指標(biāo)如下：1)三維立體彩色顯示用透明微晶玻璃的尺寸大小20×20×20mm3，均勻性n0.01；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(shí)現(xiàn)紅、藍(lán)、綠的立體彩色顯示。擬申請(qǐng)全固態(tài)立體彩色顯示的材料和器件相關(guān)專利56項(xiàng)。發(fā)表高質(zhì)量學(xué)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

4、術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)，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(dāng)成熟的平面顯示。觀察者只能在正對(duì)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360º進(jìn)行觀察。并且三維顯示所能表達(dá)的信息量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了平面顯示，它能即時(shí)表現(xiàn)物體任何一個(gè)角度任何一個(gè)部位的動(dòng)態(tài)信息。這些優(yōu)點(diǎn)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

5、維顯示，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，利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(dòng)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)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(shí)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(dòng)創(chuàng)造立體圖像，不適合計(jì)算機(jī)的控制，而且對(duì)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(shí)的立體圖像，如Perspecta (Proc. SPIE 4297(2001)227)系統(tǒng)。Perspectra的旋轉(zhuǎn)面是一個(gè)直

6、立投影平面。在顯示物體的三維圖像時(shí)，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(lán)三種顏色的剖面圖像，通過底座固定的光學(xué)系統(tǒng)以及隨馬達(dá)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(duì)旋轉(zhuǎn)屏幕的平穩(wěn)性要求較高，任何震動(dòng)都會(huì)造成圖像的模糊甚至難以辨認(rèn)。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(gè)“體積”，顯示體本身就擁有一定的體積。激光束照射到顯示體內(nèi)部某一點(diǎn)激發(fā)出熒

7、光，利用人眼視覺的暫留效應(yīng)，當(dāng)激光快速地依次激發(fā)顯示體內(nèi)部空間中的點(diǎn)時(shí)就可以形成一幅三維立體圖像，圖像以一定的頻率進(jìn)行更新便能夠表現(xiàn)動(dòng)態(tài)的圖像，是今后發(fā)展的一個(gè)方向。美國斯坦福大學(xué)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(duì)紅外激光器。為了能達(dá)到三色顯示，Downing用了三種不同的摻雜物：鐠產(chǎn)生紅光，銩產(chǎn)生藍(lán)光，鉺產(chǎn)生綠光。為了解決能級(jí)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到500的薄層，薄層之間通過折射率相同的光學(xué)粘著劑粘接，薄層摻雜不同的稀土元素。每一種摻雜物都要靠波長合適的激光交叉才能激發(fā)。通過使用計(jì)算機(jī)控

8、制的掃描系統(tǒng)，發(fā)光點(diǎn)可以在顯示體內(nèi)任何一點(diǎn)顯現(xiàn)，從而構(gòu)成復(fù)雜的圖像結(jié)構(gòu)。因?yàn)榘l(fā)光點(diǎn)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(dòng)，被評(píng)為當(dāng)年世界十大科技進(jìn)展。表明了整個(gè)世界對(duì)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(diǎn)和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)，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，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

9、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(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(xué)微晶的透明介質(zhì)時(shí)，在激光焦點(diǎn)附近會(huì)產(chǎn)生光強(qiáng)與激光光強(qiáng)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(shí)現(xiàn)在透明介質(zhì)內(nèi)部的三維動(dòng)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(xué)非線性微晶的玻璃系統(tǒng)，熔制

10、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好的的玻璃，進(jìn)行折射率、密度等測(cè)定和性能表征。2）研究材料的晶核形成和晶體生長的動(dòng)力學(xué)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（20×20×20mm3）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(jī)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(jì)算機(jī)控制振鏡掃描系統(tǒng)，進(jìn)行全固態(tài)立體彩色動(dòng)態(tài)顯示演示。（2）技術(shù)難點(diǎn)與主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)本課題的技術(shù)難點(diǎn)在于：微晶玻璃如零膨脹微晶玻璃可以做得很大，且已得到廣泛應(yīng)用。但具有二階光學(xué)非線性的透明微晶玻璃迄今為止只局限在純基

11、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(bào)導(dǎo)。我們將系統(tǒng)探索與組合化學(xué)相結(jié)合，探索和優(yōu)化玻璃組成，制備出均勻大尺寸的具有二階光學(xué)非線性特性的透明微晶玻璃。并建立掃描系統(tǒng)進(jìn)行三維彩色顯示演示。主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：我們首次提出了利用二階光學(xué)非線性效應(yīng)實(shí)現(xiàn)三維立體彩色顯示的新原理，解決了以往的方式存在的一些缺點(diǎn)。材料上將利用能制成均勻大尺寸的又容易實(shí)現(xiàn)相位失配的透明微晶玻璃。（3）現(xiàn)有研究基礎(chǔ) *長期從事相關(guān)光功能材料與器件的基礎(chǔ)研究。在國際上創(chuàng)造性地將飛秒激光作為非晶態(tài)材料的微結(jié)構(gòu)修飾工具進(jìn)行3維微結(jié)構(gòu)調(diào)控，發(fā)現(xiàn)了飛秒激光誘導(dǎo)的空間選擇性折射率變化、稀土、過渡金屬和貴金屬離子的氧化還原、微晶析出

12、與生長、納米晶體析出控制、納米光柵形成、偏振依賴發(fā)光、等新現(xiàn)象和新效應(yīng)。開拓了外場(chǎng)、干涉場(chǎng)和復(fù)合場(chǎng)高效誘導(dǎo)功能微結(jié)構(gòu)的新技術(shù)，創(chuàng)制了基于這些新效應(yīng)的超高密度3維可擦重寫光存儲(chǔ)、一筆畫直寫3維集成光路、微光柵、微透鏡等可集成微光學(xué)器件、全光開關(guān)列陣、光調(diào)制器等原型器件，在理論上和技術(shù)上取得了重大突破，獲得一批具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用基礎(chǔ)研究成果。開發(fā)的新技術(shù)具有重大的產(chǎn)業(yè)化前景，得到了各國產(chǎn)業(yè)界的重視。1999年至今，系列成果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.、Phys. Rev. Lett.等專業(yè)刊物上，其中SCI論文60余篇，影響因子大于3的42篇，申請(qǐng)及獲得專利1

13、2項(xiàng)。6項(xiàng)研究成果被Nature 的Science Update等作了專門介紹。激光玻璃彩色內(nèi)雕已實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化并打入國際市場(chǎng)。所有這些成果積累與本項(xiàng)目密切相關(guān)，為本項(xiàng)目的順利完成提供了堅(jiān)實(shí)的知識(shí)儲(chǔ)備和雄厚的經(jīng)驗(yàn)積累。3.4課題預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)、主要技術(shù)指標(biāo)，可獲得專利等知識(shí)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(qǐng)相關(guān)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專利，并且開發(fā)出能進(jìn)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(chǎng)，參與國際競爭奠定基礎(chǔ)，提供技術(shù)儲(chǔ)備。主要技術(shù)指標(biāo)如下：1） 三維立體彩色顯示用透明微晶玻璃的尺寸大小20x20x20mm3，均勻性n0.01

14、；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(shí)現(xiàn)紅、藍(lán)、綠的立體彩色顯示。擬申請(qǐng)全固態(tài)立體彩色顯示的材料和器件相關(guān)專利56項(xiàng)。發(fā)表高質(zhì)量學(xué)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(xiàn)的基礎(chǔ)上，選擇具有良好化學(xué)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(xué)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、鎵酸鹽、鉍酸鹽、碲酸鹽和磷酸鹽玻璃）；獲得尺寸10×

15、10×10mm3的均勻玻璃；用光學(xué)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(dòng)力學(xué)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(duì)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(xué)顯微鏡觀察系統(tǒng)研究基于二階光學(xué)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(cè)技術(shù)研究發(fā)光的時(shí)間響應(yīng)特性。4）三維彩色顯示構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制振鏡系統(tǒng)，設(shè)計(jì)優(yōu)化相關(guān)的軟件。（2）課題技術(shù)路線通過玻璃研制晶化處理

16、性能表征反過來指導(dǎo)玻璃組成。設(shè)計(jì)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(xué)質(zhì)量的尺寸20×20×20mm3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(jì)計(jì)算機(jī)控制掃描系統(tǒng)，進(jìn)行立體彩色顯示。（3）可行性分析我們已經(jīng)進(jìn)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(shí)，在透明微晶玻璃內(nèi)部的焦點(diǎn)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(lán)、綠發(fā)光。并且利用泵浦探測(cè)發(fā)現(xiàn)發(fā)光的時(shí)間響應(yīng)快達(dá)200fs。表明基于這種原理的三維彩色顯示具有現(xiàn)

17、實(shí)性和可能性。我們已申請(qǐng)相關(guān)專利。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(shí)現(xiàn)真正具有我國器件自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù)儲(chǔ)備。3.6課題預(yù)期研究成果對(duì)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(cè)（包括國內(nèi)外應(yīng)用或市場(chǎng)現(xiàn)狀、潛在用戶、市場(chǎng)前景，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)作用等）本課題研究的基于二階光學(xué)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(bào)導(dǎo)。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(chǎng)，但仍局限在一些博物館、展覽館、大型娛樂場(chǎng)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(xué)非線性效應(yīng)

18、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)點(diǎn)，如制備工藝簡單、分辨率高、不存在幽幻點(diǎn)等，是全新的立體彩色顯示技術(shù)，在今后將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)，不僅可用在科技館、展覽館和游樂場(chǎng)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(gè)尋常百姓家。如研制成功，將會(huì)帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益，并產(chǎn)生深遠(yuǎn)的社會(huì)影響，象DVD、電視一樣滲透每一個(gè)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(dòng)立體顯示材料和器件及系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)起到很好的推動(dòng)作用。預(yù)計(jì)在不久的將來將會(huì)有很多廠家和研究機(jī)構(gòu)參與開發(fā)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。3.7課題組現(xiàn)有

19、及依托單位承諾提供的支撐條件，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(xiàng)目依托硅材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)場(chǎng)誘導(dǎo)功能微結(jié)構(gòu)、微光子學(xué)器件制備等方面取得了多項(xiàng)研究成果，積累了經(jīng)驗(yàn)。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(xì)加工和微結(jié)構(gòu)制備、電子束誘導(dǎo)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(tái)，可調(diào)諧納秒激光系統(tǒng)（美國Continnum公司）一臺(tái)，各種波長的半導(dǎo)體激光器, 高性能TEM00模CO2激光器和高功率Ar+激光器（Spectra-Physics公司產(chǎn)），各類光譜表征儀器（日本分光JASCO紫外-紅外分光光度計(jì)，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的各種玻璃熔制和熱處理電爐, 小型精密切割和拋光機(jī)。另外還有氣氛