光電功能材料課程-7ppt課件

.,光電功能材料7,劉磊Tel：84315437Email:liulei442,.,3.光功能材料3.1.激光材料3.2.光纖材料3.3.發(fā)光材料3.4.超分子體系3.5.太陽能材料3.6.納米材料3.7.液晶材料,.,3.2.1光導纖維材料光通信中用于傳播光信息的光學纖維所用的材料，稱為光纖材料，又稱為光波導纖維材料。光導纖維是指能導光的纖維，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，從而實現(xiàn)光纖通信。1966年，英籍華人高昆(KCKao)和他的同事Hockham以及法國的Werts根據(jù)介質(zhì)波導理論提出光纖傳輸線的概念。盡管他們所試驗的光纖損耗高達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。（光纖的損耗:損耗指光信號功率傳輸每單位長度衰減的程度,用分貝/公里(dB/km)表示）,.,光導纖維傳輸點光源示意圖,光纖結(jié)構(gòu)示意圖,光纖芯線結(jié)構(gòu),.,光在光纖中傳輸?shù)幕驹?全反射現(xiàn)象,當光射到兩種介質(zhì)界面，只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象當光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時，折射角將大于入射角當入射角增大到某一數(shù)值時，折射角將達到90，這時在光疏介質(zhì)中將不出現(xiàn)折射光線，只要入射角大于上述數(shù)值時，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),.,光在光纖中傳輸?shù)幕驹?光在光纖中傳播原理,光學纖維中光的傳送是利用光的全反射原理，入射光束以大于臨界角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，不會穿出包層，避免了光在傳播時的折射損耗。,.,光在光纖中傳輸?shù)幕驹?傳導光束。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,可以從一端傳導到另一端，如圖2a所示。當棒的截面直徑很小，甚至到數(shù)微米數(shù)量級，傳導的效果也不變，這種導光的細玻璃絲稱光學纖維。光在纖維中的傳導有專門的波導理論來論述，但是也不妨用光的全反射來作一般的解釋,.,光纖材料特征值,傳輸損耗Q傳輸損耗Q指光在纖維中傳輸途中的損耗，用下式表示：式中I1入射光強I2出射光強Q傳輸損耗Q的絕對值越大，光信息傳播的距離就越短，越小，光信息傳播的距離就越遠。Q值是衡量光學纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一個最重要的指標。,.,光纖材料特征值,形成光學纖維傳播損耗的機理有吸收損耗，本征散射和波導散射三種1吸收損耗：吸收損耗又分為本征吸收，雜質(zhì)吸收和OH-離子吸收本征吸收是物質(zhì)的固有吸收，是組分原子振動產(chǎn)生的吸收，位于8-12微米的紅外區(qū)域和一個紫外波段。雜質(zhì)吸收主要有Cu2+,Ni2+等雜質(zhì)，它的吸收峰位于可見和紅外區(qū)域當原料經(jīng)過多次精制后，金屬雜質(zhì)的吸收幾乎完全消除，這時OH-離子的吸收就成為一種重要的雜質(zhì)吸收損耗,.,光纖材料特征值,形成光學纖維傳播損耗的機理有吸收損耗，本征散射和波導散射三種2本征散射本征散射是物質(zhì)散射中最重要的，又成為瑞利散射，它是由玻璃熔制過程中造成的密度不均勻而產(chǎn)生的折射率不均勻所引起的散射，與波長的四次方成反比，這種損耗隨波長的增加而很快減小另外摻雜不均勻也能引起散射，產(chǎn)生損耗3波導散射是由波導的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的，如波導芯的直徑有起伏，界面粗糙，凹凸不平，就會引起傳導模的附加損耗波導：waveguide，能限定和引導電磁波在長度方向上傳播的管道,.,光纖傳輸信息具有許多優(yōu)點：載頻為31014Hz，約為電視通信所用超高頻的100000倍，從而使信息載帶容量或帶寬激增；傳輸損耗很小，每單位傳輸距離只需要極少的放大器或中繼站。與金屬導線比起來，高頻率下光纖損耗低得多，它可以傳輸幾十公里乃至上百公里不必增加中繼器，而金屬同軸電纜沒有中繼器只能傳輸幾公里。在理論上，光纖可以傳送107路電視或1010路電話，可以把一個特大圖書館儲藏的全部圖書信息在短時間內(nèi)全部傳送完畢，其容量比金屬同軸電纜大5個數(shù)量級。,.,光纖是絕緣體，不受鄰近其它系統(tǒng)和其它物體產(chǎn)生雜散電場的影響。因此不受干擾，基本上能防范電子間諜。尺寸小、重量輕，有利于鋪設(shè)和運輸。光纖的芯徑僅為單管同軸電纜的百分之一。8芯光纜直徑約10mm，而標準同軸電纜為47mm。這樣可以解決地下管網(wǎng)由于通信電纜太多而造成的擁擠問題。光纖材料主要是石英(SiO2)，它在地球上非常豐富。,.,纖芯的作用是傳導光波，包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。為了達到這一目的，需保證纖芯材料的折射率n1大于包層材料的折射率n2。目前通信應用的光纖主要是石英玻璃光纖。其纖芯由摻有折射率比石英高的雜質(zhì)的石英材料作成，而包層則往往在石英中摻入比石英折射率低的雜質(zhì)。剛拉制出來的光纖就像普通玻璃絲一樣是很脆弱的。為了保護光纖，提高其機械強度，作為產(chǎn)品提供的光纖都在剛拉制后經(jīng)過一道套塑工序，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度，同時改善其抗水性能。,.,石英光纖目前光通信所應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)性化合物進行氧化或水解，通過氣相沉積獲得低損耗石英光纖預制件，再進行拉絲。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。,.,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等玻璃形成體及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和PbO等改性劑，熔點低(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。,.,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)應用。,.,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(1.55m)，接近于0.1dB/km的理論極限。但其傳輸距離由于瑞利散射不會超過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，使損耗進一步降低，就能延長傳輸距離。5000km傳輸距離如用0.83m的光纖傳輸系統(tǒng)，需333個中繼站，而用1.5m的系統(tǒng)有33個中繼站就夠了。各發(fā)達國家已著眼于230m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。,.,A鹵化物光纖其制造難度比氧化物光纖大，且需保護涂層，但傳輸損耗理論值比石英光纖小l至2個數(shù)量級，有可能實現(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751000m、長200m的多晶纖維。溴化鉈或碘化鉈多晶光纖在4.05.5m時損耗最低，可達0.0ldB/km。多晶KRS5(TlBrI)和KRS6(TlClI)作為非通信光纖在外科手術(shù)、激光材料加工、軍事應用等短距離應用中，日益受到重視。KRS5在10.6m的最低損耗為350dB/km，KRS6為ldB/km。采用KRS6作包層，KRS5作芯線，已獲得損耗0.2dB/m，NA為0.96(在10.6m)的光纖。氟化鈹在紅外區(qū)的本征損失為石英的l/6，可拉制透射2m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0.001dB/km(2.55m)(比最好的石英光纖低兩個數(shù)量級)，透過率可達氧化物玻璃的100倍，且受高能輻照不易黑化。氟化鋯基玻璃的主成分為氟化鋯(6070mol)，并以氟化鋇(2030mol)為改性劑(降低熔點)，以少量其它氟化物作穩(wěn)定劑(如AlF3、LaF3、PbF2作結(jié)晶化抑制劑)和指數(shù)改性劑(如PbF2)，借以獲得合適的纖芯和包層組分。這種玻璃光纖的透射波長范圍從78m的紅外區(qū)一直延伸到0.20.3m的近紫外區(qū)。,.,拉出的Zr（鋯）BaLaAlLiPb(纖芯)ZrBaLaAlLi(包層)氟化物光纖，在2.55m下的最低損耗為6.8dB/km，纖維的“實用”強度高達3800MPa。估計氟化物玻璃光纖接近0.001dB/km的最低理論損耗，從而實現(xiàn)橫跨大洋的通信。,.,B硫?qū)俨ＡЧ饫w砷、鍺、銻與硫?qū)僭亓?、硒?gòu)成的玻璃叫硫?qū)俨Ａ?，光學損耗高，主要用于短距離傳能。目前己拉出在CO和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、非線性光學光纖，尤其是可用來實現(xiàn)光信號放大，有可能用于超長距離光學傳輸系統(tǒng)。,.,光纖制造工藝以石英光纖為例，實用的制造方法有內(nèi)氣相氧化法(IVPO)、外氣相氧化法(OVPO)、改進的化學氣相沉積法(MCVD)、氣相軸向沉積法(VAD)及等離子化學氣相沉積法(PCVD)等。歐美及我國主要采用改進的化學氣相沉積法MCVD法，該法提高了反應物濃度使沉積速率，比化學氣相沉積(CVD)法快100倍以上，并且可在數(shù)小時內(nèi)將預制件拉成幾公里長的多模纖維，由于簡單實用，已成為常規(guī)的光纖生產(chǎn)方法。日本則開發(fā)氣相軸向沉積法VAD工藝，除回收率高外，還可制成大型預制件(達2500g，可拉制50m芯徑的光纖580km)，可采用低純原料。,.,光纖發(fā)展趨勢及應用光纖是在當今銅資源不足及高技術(shù)的迫切要求下，獲得空前發(fā)展的。以SiCl4為主要原料的石英光纖，經(jīng)歷了0.85m多模(最低損耗23dB/km，無中繼距離一般8km)、1.3m多模(最低損耗0.41dB/km)、1.3m單模(最低損耗0.35dB/km，無中繼距離3050km)，1.5m單模(最低損耗0.140.16dB/km，無中繼距離可達100km)幾個階段。損