光電功能材料課程-光纖

1、光電功能材料及應(yīng)用Optoelectronic Functional Materials and Applications 劉湘梅南京郵電大學(xué)材料與科學(xué)工程學(xué)院Email: 辦公室：教五410-213. 光功能材料及器件 3.1 發(fā)光材料 3.2 激光材料 3.3 非線性光學(xué)材料 3.4 光電顯示技術(shù) 3.5 液晶材料 3.6 OLED輔助材料 3.7 光纖材料 3.8 光伏材料與太陽能電池 3.9 納米材料2習(xí)題講解1、材料的發(fā)光機(jī)理及發(fā)光材料的發(fā)光特征？發(fā)光機(jī)理：（1）分立中心發(fā)光（自發(fā)發(fā)光、受迫發(fā)光）（2）復(fù)合發(fā)光（電子與空穴、正離子與負(fù)離子）發(fā)光特征：（1）顏色特征：不同的發(fā)光材料有不

2、同的發(fā)光顏色，目前發(fā)光材料類型的發(fā)光顏色可以覆蓋整個(gè)可見光范圍（2）發(fā)光強(qiáng)度特征：發(fā)光強(qiáng)度隨激發(fā)光強(qiáng)度變化，因此一般用發(fā)光效率表征發(fā)光本領(lǐng)。更常用的是發(fā)光效率特征，分為量子效率、能量效率及光度效率（3）發(fā)光持續(xù)時(shí)間特征：不同的材料發(fā)光持續(xù)的時(shí)間不同，磷光材料壽命大于熒光材料壽命。32、光致發(fā)光、電致發(fā)光、射線致發(fā)光、等離子發(fā)光的原理各是什么？光致發(fā)光原理：發(fā)光材料在光（通常是紫外光、紅外光和可見光）照射下激發(fā)發(fā)光。光致發(fā)光過程分為三步：吸收一個(gè)光子；把激光能轉(zhuǎn)移到熒光中心；由熒光中心發(fā)射輻射。電致發(fā)光原理：發(fā)光材料在電場或電流作用下的激發(fā)發(fā)光。分為本征式場致發(fā)光和注入式場致發(fā)光。本征式場致發(fā)光

3、就是用電場直接激勵(lì)電子，電場反向后電子與中心（空穴）復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象。注入式場致發(fā)光是由- 族和 - 族化合物所制成的有 p - n 結(jié)的二極管，注入載流子，然后在正向電壓下，電子和空穴分別由 n 區(qū)和 p 區(qū)注入到結(jié)區(qū)并相互復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象。射線發(fā)光原理：射線致發(fā)光材料可分為陰極射線致發(fā)光材料和放射線致發(fā)光材料兩種。陰極射線致發(fā)光是由電子束轟擊發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象。放射線致發(fā)光是由高能的、X射線轟擊發(fā)光物質(zhì)而引起的發(fā)光現(xiàn)象。發(fā)光包括三個(gè)基本過程，即電離；電子和空穴的中介運(yùn)動(dòng)過程；電子空穴對復(fù)合發(fā)光過程。等離子體發(fā)光的基本原理：氣體的電子得到足夠的能量之后，可以完全脫離原子，即被電離。這種

4、電子具有較大的動(dòng)能，以較高的速度在氣體中飛行。而且電子在運(yùn)動(dòng)過程中與其他粒子會(huì)產(chǎn)生碰撞，使更多的中性粒子電離。同時(shí)，這些粒子在碰撞的過程中會(huì)產(chǎn)生復(fù)合，在復(fù)合的過程中，電子將能量以光的形式釋放出來。簡單的說，電子同正離子復(fù)合或正負(fù)離子復(fù)合43、什么是等離子體？ 等離子體是高度電離化的多種粒子存在的空間，其中帶電粒子有電子、正離子（負(fù)離子）等，不帶電的粒子有氣體原子、分子、受激原子、亞穩(wěn)原子等。4、產(chǎn)生熒光必須具備兩個(gè)條件是什么？（1）分子的激發(fā)態(tài)和基態(tài)的能量差必須與激發(fā)光頻率相適應(yīng)；（2）吸收激發(fā)能量之后，分子必須具有一定的熒光量子效率。 55、激發(fā)態(tài)分子失活的幾種轉(zhuǎn)變方式(1) 振動(dòng)弛豫：在液

5、相或壓力足夠高的氣相中，處于激發(fā)態(tài)的分子因碰撞將能量以熱的形式傳遞給周圍的分子，從而從高振動(dòng)能層失活至低振動(dòng)能層的過程，稱為振動(dòng)弛豫。(2) 內(nèi)轉(zhuǎn)化： 具有相同多重度的分子，如果較高電子能級的低振動(dòng)能層與較低電子能級的高振動(dòng)能層相重疊時(shí)，則電子可在重疊的能層之間通過振動(dòng)耦合產(chǎn)生無輻射躍遷，如S2S1；T2T1。(3) 系間竄躍：指不同多重態(tài)間的無輻射躍遷，例如S1T1就是一種系間竄躍，或T1S1，然后由S1發(fā)生熒光。這是產(chǎn)生延遲熒光的機(jī)理。(4) 外轉(zhuǎn)換：受激分子與溶劑或其它溶質(zhì)分子相互作用發(fā)生能量轉(zhuǎn)換。這一轉(zhuǎn)換過程能使熒光或磷光強(qiáng)度減弱甚至消失的過程，也稱“熄滅”或“猝滅”。(5) 發(fā)光：處

6、于S1的電子躍遷至基態(tài)各振動(dòng)能級時(shí)，將得到最大波長為3的熒光。處于T1的電子躍遷至基態(tài)各振動(dòng)能級時(shí)，將得到最大波長為3的磷光。66、熒光淬滅的原因？（1）碰撞猝滅：由于與猝滅劑分子發(fā)生碰撞，增加了非輻射躍遷的幾率； （2）靜態(tài)猝滅(組成化合物的猝滅)：由于熒光物質(zhì)分子與猝滅劑分子生成非熒光的配合物； （3）轉(zhuǎn)入三重態(tài)的猝滅：分子由于系間跨越躍遷，由單重態(tài)躍遷到三重態(tài)。轉(zhuǎn)入三重態(tài)的分子在常溫下不發(fā)光，它們在與其它分子的碰撞中消耗能量而使熒光猝滅。（4）發(fā)生電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)的猝滅：某些猝滅劑分子與熒光物質(zhì)分子相互作用時(shí)，發(fā)生了電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)，因而引起熒光猝滅。（5）熒光物質(zhì)的自猝滅：在濃度較高的熒光物質(zhì)

7、溶液中，單重激發(fā)態(tài)的分子在發(fā)生熒光之前和未激發(fā)的熒光物質(zhì)分子碰撞而引起的自猝滅。 7第八章 透光與導(dǎo)光材料 8.1 透光材料（自學(xué)）8.2 光纖材料 8教學(xué)目標(biāo)及基本要求掌握透光材料及其特征值，光在光纖中傳播的基本原理，光纖的結(jié)構(gòu)及光纖材料的特征值。了解光纖材料的種類和應(yīng)用。 9教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)（1）光在光纖中傳播的基本原理（2）光纖的結(jié)構(gòu)及光纖材料的特征值10 透光材料包括透紫外光（波長0.010.4m）、可見光（波長0.390.76m）、紅外光（波長11000m）的材料。一、光通過固體現(xiàn)象 當(dāng)光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，一部分透過介質(zhì)，一部分被介質(zhì)吸收，一部分在兩種介質(zhì)的界面上被反射，還有

8、一部分被散射。8.1 透光材料 11設(shè)入射到材料表面的光輻射能流率為0，透過、吸收、反射和散射的光輻射能流率分別為T、R、，則光輻射能流率的單位為W/m2，表示單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積（與光線傳播方向垂直）的能量。若用0除上式的等式兩邊，則有T 、 R、 為透射、吸收、反射、散射系數(shù)。12圖8-1 光子與固體介質(zhì)的作用 131. 材料折射率及其影響因素材料的折射率n：當(dāng)光從真空進(jìn)入較致密的材料時(shí)，其速度下降，光在真空和在材料中的速度之比：材料的折射率是永遠(yuǎn)大于1的正數(shù)。光從材料1通過界面進(jìn)入材料2時(shí)，與界面法線所形成的入射角為1，折射角為2，材料2相對材料1的相對折射率為14（1）構(gòu)成材料元素的

9、離子半徑：吸收光引起電子極化，使光子速度減慢，大離子可以構(gòu)成高n的材料，小離子可以構(gòu)成低n的材料。 （2）材料的結(jié)構(gòu)和晶型：非晶態(tài)和立方晶體結(jié)構(gòu)，當(dāng)光線通過時(shí)光速不因入射方向而改變，其他晶型都產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。（3）材料存在的內(nèi)應(yīng)力：有內(nèi)應(yīng)力的透明材料，垂直于存在主應(yīng)力方向的n值大，平行于主應(yīng)力方向的n值小。（4）同質(zhì)異構(gòu)體：高溫時(shí)的晶型折射率較低；低溫時(shí)的晶型折射率高。 材料的折射率的影響因素15二、透光材料的種類透可見光的材料常用的有玻璃和高聚物兩大類。玻璃材料：透過率最高，折射率范圍大，色散系數(shù)范圍大，光學(xué)穩(wěn)定性好，耐磨損。其缺點(diǎn)是密度大，耐沖擊強(qiáng)度低，加工困難，制造周期長。目前仍是制造各

10、種光學(xué)元件最主要的材料。高聚物材料：重量輕、成本低、制造工藝簡單、不易破碎，可用來制作各種光學(xué)元件，發(fā)展較快。但也有折射率范圍窄，熱脹系數(shù)、雙折射和色散大等很多缺點(diǎn)。168.2 光纖材料 光通信中用于傳播光信息的光學(xué)纖維所用的材料，稱為光纖材料，又稱為光波導(dǎo)纖維材料。光導(dǎo)纖維是指能導(dǎo)光的纖維，通常由折射率高的纖芯及折射率低的包層組成。目前應(yīng)用的光纖是以SiO2為主要原料的纖維，其纖芯芯徑為數(shù)m到數(shù)百m。光線進(jìn)入光纖在纖芯與包層的界面發(fā)生多次全反射，將載帶的信息從一端傳到另一端，從而實(shí)現(xiàn)光纖通信。 1966年，英籍華人高錕(KCKao)和他的同事Hockham以及法國的Werts根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論

11、提出光纖傳輸線的概念。盡管他們所試驗(yàn)的光纖損耗高達(dá)1000dBkm，但他們指出如采用石英玻璃等作介質(zhì)，可使其損耗降低到20dBkm。 1981年，經(jīng)過他的不懈努力，第一個(gè)光纖系統(tǒng)終于面世。從此，比人的頭發(fā)還要纖細(xì)的光纖取代了體積龐大的千百萬條銅線，成為傳送容量接近無限的信息傳輸管道，徹底改變了人類的通訊模式。2009年華裔科學(xué)家高錕以及另外兩名美國科學(xué)家獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，以獎(jiǎng)勵(lì)他們在光纖和半導(dǎo)體領(lǐng)域的開創(chuàng)性研究。17光的全反射 1、全反射現(xiàn)象 一、光在光纖中傳輸?shù)幕驹懋?dāng)光射到兩種介質(zhì)界面，只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象。當(dāng)光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，折射角將大于入射角。當(dāng)入射角增大到某一數(shù)

12、值時(shí)，折射角將達(dá)到90，這時(shí)在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，只要入射角大于上述數(shù)值時(shí)，均不再存在折射現(xiàn)象，這就是全反射。所以產(chǎn)生全反射的條件是：光必須由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。入射角必須大于臨界角(C)。 18光學(xué)纖維中光的傳送是利用光的全反射原理。入射光束以大于0的角度入射到芯子與包層的界面上，光線在界面上發(fā)生全反射，在芯中以鋸齒狀路徑曲折前進(jìn)，不會(huì)穿出包層，避免了光在傳播時(shí)的折射損耗。光纖材料按結(jié)構(gòu)可分為包層型和自聚焦型兩種。傳導(dǎo)光束。光在均勻透明的，彎曲的玻璃棒的光滑內(nèi)壁上，借助于接連不斷地全反射，可以從一端傳導(dǎo)到另一端，如圖所示。當(dāng)棒的截面直徑很小，甚至到數(shù)微米數(shù)量級，傳導(dǎo)的效果也不變。光

13、在纖維中的傳導(dǎo)有專門的波導(dǎo)理論來論述，但是也不妨用光的全反射來作一般的解釋 2、光在光纖中傳播原理193、光纖的結(jié)構(gòu)光纖典型結(jié)構(gòu)將光波封閉在光纖中傳播傳導(dǎo)光波n1n2n1n2套塑工序，在其外表涂覆上一層甚至幾層塑料層。涂覆可以提高光纖的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)改善其抗水性能。100-150um400um900um裸光纖 通信用光纖的橫截面結(jié)構(gòu)圖 204、傳輸模式光在纖維中傳輸有一定的傳輸模式。傳輸模式是光學(xué)纖維最基本的傳輸特性之一，光學(xué)上把具有一定頻率，一定的偏振狀態(tài)和傳播方向的光波叫做光波的一種模式。根據(jù)模式可分為單模光纖和多模光纖兩種。所謂單模光纖是一種光纖只能傳輸一個(gè)模式的光波，多模光纖為一種光纖

14、可同時(shí)傳輸多個(gè)模式的光波。 21圖86 子午光線和斜光線（a）子午光線及其入射條件；（b）斜光線的概念 5、子午光線和斜光線通過具有均勻芯子和包層的光纖的光線有子午光線和斜光線兩種。所謂子午光線就是在一個(gè)平面內(nèi)彎曲進(jìn)行的光線，它在一個(gè)周期內(nèi)和光學(xué)纖維的中心軸相交兩次；斜光線則為不通過光學(xué)纖維的中心軸的光線。作為子午光線行進(jìn)的條件為：226、數(shù)值孔徑NA根據(jù)子午光線行進(jìn)的條件，NA值越大，0可以越大，因而有較多的光線進(jìn)入芯子。但NA太大時(shí)，對單模傳輸不利，因?yàn)樗准ぐl(fā)光的高次模傳播方式。 23二、光纖材料特征值1、傳輸損耗Q（dB/km） 傳輸損耗Q指光在纖維中傳輸途中的損耗：|Q|越大，光信息

15、傳播的距離就越短。形成光纖傳播損耗有吸收損耗、本征散射和波導(dǎo)散射三種。吸收損耗是一個(gè)重要的損耗，又可分本征吸收、雜質(zhì)(陽離子)吸收和OH-離子(陰離子)吸收。（p128）本征散射又稱為瑞利散射，它與波長的四次方成反比。這種損耗隨波長的增加而很快減少。波導(dǎo)散射是由光纖本身的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的。242、傳輸帶寬傳輸帶寬是影響信息傳輸能力的一個(gè)重要因素。光纖帶寬越窄，在傳數(shù)字信號時(shí)，信號被展寬得越寬，就會(huì)出現(xiàn)碼元之間的重疊造成誤碼。在光纖通信中，傳輸以光脈沖方式進(jìn)行，信息通過調(diào)制方式加到光頻載波上，把載波光按信息要求調(diào)制成一個(gè)光脈沖，光脈沖的調(diào)制頻率愈高，它能傳輸?shù)男畔⑷萘恳灿蟆＝?jīng)輸送的光脈沖傳輸一段

16、距離后發(fā)生畸變和展寬，展寬的結(jié)果使光脈沖波型重疊，結(jié)果分辨不出所攜帶的信息。25光學(xué)纖維的傳輸帶寬受到材料色散、模式色散和構(gòu)造色散的限制。光纖的色散愈小，光纖的帶寬愈寬。材料色散是指不同波長的光在介質(zhì)中的折射率不一樣，即n=f()。模式色散是指不同模式的光脈沖在光學(xué)纖維中傳播速度不同所產(chǎn)生的傳輸時(shí)間差。構(gòu)造色散是指由光纖結(jié)構(gòu)引起的光傳播速度變化。影響多模光纖傳輸帶寬的主要因素是模式色散，影響單模光纖傳輸帶寬的主要因素是材料色散。3、模式分布和數(shù)值孔徑26三、光纖材料的種類按芯和包層的折射率分布可分為階躍型、梯度(漸變)型、色散移位型和色散平坦型。按傳輸模式不同，可分為單模光纖和多模光纖。按組分

17、可分為石英光纖、多組分氧化物玻璃光纖、非氧化物玻璃光纖、晶體光纖和高聚物光纖。27石英光纖目前光通信所應(yīng)用的唯一商品化材料。石英光纖主要由SiO2構(gòu)成，一般采用SiCl4或硅烷等揮發(fā)性化合物進(jìn)行氧化或水解，通過氣相沉積獲得低損耗石英光纖預(yù)制件，再進(jìn)行拉絲。根據(jù)傳播模式對折射指數(shù)斷面分布的要求，可在制備預(yù)制件的過程中，加入揮發(fā)性氯化物作添加劑。用鍺可提高折射指數(shù)，用硼可降低折射指數(shù)。新的動(dòng)向是采用氟，例如加入CF4或CCl2F2降低包層的折射指數(shù)。加入磷(加POCl3)用來降低石英光纖的熔點(diǎn)。28多組分玻璃光纖SiO2約占百分之幾十，此外還含有B2O3、GeO2、P2O3和As2O3等玻璃形成體

18、及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和PbO等改性劑，熔點(diǎn)低(1400)，可用傳統(tǒng)的坩堝法拉絲，適于制做大芯徑、大數(shù)值孔徑光纖。29全塑料光纖和塑料包層光纖 全塑料光纖主要由特制的高透明度有機(jī)玻璃、聚苯乙烯等塑料制成，已制成階躍型和梯度型多模光纖，目前光纖損耗已降至數(shù)十dB/km。其特點(diǎn)是柔韌、加工方便、芯徑和數(shù)值孔徑大。塑料包層光纖是以石英作纖芯、塑料作包層的階躍型多模光纖。其芯徑和數(shù)值孔徑都較大，適于短距離小容量通信系統(tǒng)應(yīng)用。30 紅外光纖 石英光纖在1.3至1.5m的區(qū)域內(nèi)具有最低的損耗和色散，損耗已降低到0.15dB/km(1.55 m)，接近于0.1dB/km的理論極限。但其傳

19、輸距離由于瑞利散射不會(huì)超過200km。 利用散射損耗與波長四次冪成反比的關(guān)系，制造出適用于長波長的光纖，使損耗進(jìn)一步降低，就能延長傳輸距離。5000km傳輸距離如用0.83 m的光纖傳輸系統(tǒng)，需333個(gè)中繼站，而用1.5 m的系統(tǒng)有33個(gè)中繼站就夠了。各發(fā)達(dá)國家已著眼于230 m的新的傳輸波段，對鹵化物、硫?qū)倩锖椭亟饘傺趸锏燃t外光纖做了大量開創(chuàng)性工作。31 A 鹵化物光纖 其制造難度比氧化物光纖大，且需保護(hù)涂層，但傳輸損耗理論值比石英光纖小l至2個(gè)數(shù)量級，有可能實(shí)現(xiàn)幾千公里無中繼通信。 鹵化鉈 鹵化鉈有較好的延展性，已擠壓出直徑751000 m 、長200m的多晶纖維。溴化鉈或碘化鉈多晶光

20、纖在4.05.5 m時(shí)損耗最低，可達(dá)0.0ldB/km。氟化鈹 在紅外區(qū)的本征損失為石英的l/6，可拉制透射2 m波段的光纖。該種光纖有可能將光信號無中繼傳輸數(shù)百甚至上千公里。 氟化鋯 理論損耗達(dá)0.001dB/km(2.55m)(比最好的石英光纖低兩個(gè)數(shù)量級)，透過率可達(dá)氧化物玻璃的100倍，且受高能輻照不易黑化。這種玻璃光纖的透射波長范圍從78 m的紅外區(qū)一直延伸到0.20.3 m的近紫外區(qū)。估計(jì)氟化物玻璃光纖接近0.001dB/km的最低理論損耗，從而實(shí)現(xiàn)橫跨大洋的通信。32B 硫?qū)俨ＡЧ饫w砷、鍺、銻與硫?qū)僭亓颉⑽鴺?gòu)成的玻璃叫硫?qū)俨ＡВ鈱W(xué)損耗高，主要用于短距離傳能。目前己拉出在CO和

21、CO2激光波長下?lián)p耗為數(shù)百dB的纖維。在一根光纖上能傳輸數(shù)瓦的能量，這對拓寬CO2和CO大功率激光器的應(yīng)用領(lǐng)域有重要意義。C 重金屬氧化物光纖 對此類纖維的研究，主要局限于GeO2系統(tǒng)。抽成絲后最小損耗約為4dB/km(2m)?？捎米骷t外光纖、非線性光學(xué)光纖，尤其是可用來實(shí)現(xiàn)光信號放大，有可能用于超長距離光學(xué)傳輸系統(tǒng)。33四、光纖材料的應(yīng)用及發(fā)展在實(shí)際工程中光纖是以光纜形式應(yīng)用的。光纜作為光纖的具體應(yīng)用形式，包含著兩重含義： (1) 可以用不同品種的光纖制成同一結(jié)構(gòu)的光纜，供不同層次的網(wǎng)絡(luò)使用； (2) 可以用不同的材料制成不同結(jié)構(gòu)的光纜來滿足不同應(yīng)用場所的需要。自20世紀(jì)80年代初至今，光纜應(yīng)用場所經(jīng)歷了從核心網(wǎng)到城域網(wǎng)、接入網(wǎng)的發(fā)展過程，未來將再度向著家庭桌面延伸或者由室外向室