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(yáng)能材料3.6.納米材料3.7.液晶材料,.,3.2.1光導(dǎo)纖維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(chēng)為光纖材料，又稱(chēng)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(xiàn)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，英籍華人高昆(KCKao)和他的同事Hockham以及法國(guó)的Werts根據(jù)介質(zhì)波導(dǎo)理論提出光纖傳輸線(xiàn)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。（光纖的損耗:損耗指光信號(hào)功率傳輸每單位長(zhǎng)度衰減的程度,用分貝/公里(dB/km)表示）,.,光導(dǎo)纖維傳輸點(diǎn)光源示意圖,光纖結(jié)構(gòu)示意圖,光纖芯線(xiàn)結(jié)構(gòu),.,光在光纖中傳輸?shù)幕驹?全反射現(xiàn)象,當(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)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(xiàn)，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),.,光在光纖中傳輸?shù)幕驹?光在光纖中傳播原理,光學(xué)纖維中光的傳送是利用光的全反射原理，入射光束以大于臨界角的角度入射到芯子與包層的界面上，光線(xiàn)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。,.,光在光纖中傳輸?shù)幕驹?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2a所示。當(dāng)棒的截面直徑很小，甚至到數(shù)微米數(shù)量級(jí)，傳導(dǎo)的效果也不變，這種導(dǎo)光的細(xì)玻璃絲稱(chēng)光學(xué)纖維。光在纖維中的傳導(dǎo)有專(zhuān)門(mén)的波導(dǎo)理論來(lái)論述，但是也不妨用光的全反射來(lái)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(qiáng)I2出射光強(qiáng)Q傳輸損耗Q的絕對(duì)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(yuǎn)。Q值是衡量光學(xué)纖維通信介質(zhì)質(zhì)量好壞的一個(gè)最重要的指標(biāo)。,.,光纖材料特征值,形成光學(xué)纖維傳播損耗的機(jī)理有吸收損耗，本征散射和波導(dǎo)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(dòng)產(chǎn)生的吸收，位于8-12微米的紅外區(qū)域和一個(gè)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(jiàn)和紅外區(qū)域當(dāng)原料經(jīng)過(guò)多次精制后，金屬雜質(zhì)的吸收幾乎完全消除，這時(shí)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(xué)纖維傳播損耗的機(jī)理有吸收損耗，本征散射和波導(dǎo)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(guò)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(zhǎng)的四次方成反比，這種損耗隨波長(zhǎng)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(dǎo)散射是由波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生的，如波導(dǎo)芯的直徑有起伏，界面粗糙，凹凸不平，就會(huì)引起傳導(dǎo)模的附加損耗波導(dǎo)：waveguide，能限定和引導(dǎo)電磁波在長(zhǎng)度方向上傳播的管道,.,光纖傳輸信息具有許多優(yōu)點(diǎn)：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(dǎo)線(xiàn)比起來(lái)，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(méi)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(huà)，可以把一個(gè)特大圖書(shū)館儲(chǔ)藏的全部圖書(shū)信息在短時(shí)間內(nèi)全部傳送完畢，其容量比金屬同軸電纜大5個(gè)數(shù)量級(jí)。,.,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(chǎng)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(wèn)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(dǎo)光波，包層的作用是將光波封閉在光纖中傳播。為了達(dá)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(yīng)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(lái)的光纖就像普通玻璃絲一樣是很脆弱的。為了保護(hù)光纖，提高其機(jī)械強(qiáng)度，作為產(chǎn)品提供的光纖都在剛拉制后經(jīng)過(guò)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(qiáng)度，同時(shí)改善其抗水性能。,.,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(guò)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(duì)折射指數(shù)斷面分布的要求，可在制備預(yù)制件的過(guò)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(lái)降低石英光纖的熔點(diǎn)。,.,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(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。,.,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。,.,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(huì)超過(guò)200km。利用散射損耗與波長(zhǎng)四次冪成反比的關(guān)系，制造出適用于長(zhǎng)波長(zhǎng)的光纖，使損耗進(jìn)一步降低，就能延長(zhǎng)傳輸距離。5000km傳輸距離如用0.83m的光纖傳輸系統(tǒng)，需333個(gè)中繼站，而用1.5m的系統(tǒng)有33個(gè)中繼站就夠了。各發(fā)達(dá)國(guó)家已著眼于230m的新的傳輸波段，對(duì)鹵化物、硫?qū)倩锖椭亟饘傺趸锏燃t外光纖做了大量開(kāi)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(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(jí)，有可能實(shí)現(xiàn)幾千公里無(wú)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(zhǎng)200m的多晶纖維。溴化鉈或碘化鉈多晶光纖在4.05.5m時(shí)損耗最低，可達(dá)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(yīng)用等短距離應(yīng)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(xiàn)，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(hào)無(wú)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(jí))，透過(guò)率可達(dá)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(diǎn))，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(zhǎng)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(shí)用”強(qiáng)度高達(dá)3800MPa。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。,.,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ＡВ鈱W(xué)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(zhǎng)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(duì)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(duì)此類(lèi)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)。可用作紅外光纖、非線(xiàn)性光學(xué)光纖，尤其是可用來(lái)實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大，有可能用于超長(zhǎng)距離光學(xué)傳輸系統(tǒng)。,.,光纖制造工藝以石英光纖為例，實(shí)用的制造方法有內(nèi)氣相氧化法(IVPO)、外氣相氧化法(OVPO)、改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法(MCVD)、氣相軸向沉積法(VAD)及等離子化學(xué)氣相沉積法(PCVD)等。歐美及我國(guó)主要采用改進(jìn)的化學(xué)氣相沉積法MCVD法，該法提高了反應(yīng)物濃度使沉積速率，比化學(xué)氣相沉積(CVD)法快100倍以上，并且可在數(shù)小時(shí)內(nèi)將預(yù)制件拉成幾公里長(zhǎng)的多模纖維，由于簡(jiǎn)單實(shí)用，已成為常規(guī)的光纖生產(chǎn)方法。日本則開(kāi)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(yù)制件(達(dá)2500g，可拉制50m芯徑的光纖580km)，可采用低純?cè)稀?.,光纖發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用光纖是在當(dāng)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(wú)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(wú)中繼距離3050km)，1.5m單模(最低損耗0.140.16dB/km，無(wú)中繼距離可達(dá)100km)幾個(gè)階段。損