光子材料ppt课件

1Chapter Seven Optical Materials光子材料光子材料光子材料光子材料12Chapter Seven Optical Materials7.1 概述7.2 光纤7.3 光子晶体7.4 液晶材料7.5光学透明导电材料7.6 非线性光学材料7.7 发光材料7.8 激光材料7.9 光伏材料 OUTLINE7.1概述概述OUTLINE23Chapter Seven Optical Materials7.1 7.1 概述概述 光充满着整个宇宙：恒星发光，卫星反光，可见光、红外光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠星光或灯光。要利用光，就要创造或制造光学材料。自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。7.1概述概述光充光充满满着整个宇宙：恒星着整个宇宙：恒星发发光，光，卫卫星星34Chapter Seven Optical Materials夜明珠夜明珠珍珠珍珠猫眼石猫眼石太阳光太阳光焰火光焰火光灯光灯光夜明珠珍珠猫眼石太阳光焰火光灯光夜明珠珍珠猫眼石太阳光焰火光灯光45Chapter Seven Optical Materials春秋战国时期，墨子研究了光的传播规律，并且制造了世界上最古老的光学器件之一-青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。光学材料的发展及应用光学材料的发展及应用青铜镜青铜镜望远镜望远镜春秋春秋战战国国时时期，墨子研究了光的期，墨子研究了光的传传播播规规律，并且制造了世界上最古老律，并且制造了世界上最古老56Chapter Seven Optical Materials20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业并使光学成为独立的研究领域。科学研究、工农业生产和人类生活等许多领域需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。光光光光学学学学材材材材料料料料已已已已在在在在国国国国民民民民经经经经济济济济和和和和人人人人民民民民生生生生活活活活中中中中发发发发挥挥挥挥重重重重要要要要作作作作用用用用，成成成成为为为为人人人人类类类类社社社社会会会会必不可少的功能材料。必不可少的功能材料。必不可少的功能材料。必不可少的功能材料。20世世纪纪初，以望初，以望远镜远镜、显显微微镜镜、光、光谱仪谱仪以及物理光学以及物理光学仪仪器四大器四大类为类为67Chapter Seven Optical Materials光子学作为学术词汇最早由荷兰科学家Poldervaart提出。光子学是研究作为信息和能量载体的光子及其应用的一门技术性科学，它涉及光子的吸收、产生、传输、探测、控制、转换、存储、显示等，并由此形成了诸多相关器件，即光子器件，是光子学与技术的重要基础。光子器件分为有源（active)与无源(passive)器件两大类.按功能分类：光子源器件，控制器件，探测器件，存储器件与显示器件。光子学光子学光子学作光子学作为为学学术词汇术词汇最早由荷最早由荷兰兰科学家科学家Poldervaart提出提出78Chapter Seven Optical Materials光学材料的分类光学材料的分类外来光子作用上材料物理化学性能发生改变；材料对入射光子产生影响，改变光子的某些性质；外部能量环境作用下或内部结构改变，材料释放光子光学材料应具有以下特征：光子材料包括防反射材料，透明导电材料，液晶材料，偏光材料，滤光材料，光子晶体，双折射材料，光纤，发光材料，激光材料，非线性光学材料，感光成像材料，光伏材料，光固化材料，变色材料。光学材料的分光学材料的分类类外来光子作用上材料物理化学性能外来光子作用上材料物理化学性能发发生改生改变变；光学材；光学材89Chapter Seven Optical Materials全光通讯二十一世纪：internet era光纤电子器件全光器件能否控制光子的流动？7.2 Fibre-optical Materials(光纤材料光纤材料)全光通全光通讯讯二十一世二十一世纪纪：internetera光光纤电纤电子器件全子器件全910Chapter Seven Optical Materials光导纤维：光导纤维：简称“光纤”，是一种能利用光在石英玻璃或塑料制成的纤维中的全反射作用来传导光线的光传导工具。光光导纤维导纤维：简简称称“光光纤纤”，是一种能利用光在石英玻璃或塑料制成的，是一种能利用光在石英玻璃或塑料制成的1011Chapter Seven Optical Materials光导纤维的历史光导纤维的历史 1870年英国科学家丁达尔在皇家学会上表演了一个实验装置。他用光照亮盛水器内壁小孔，让水从孔内流出，使大家看到光不再直线前进，而是顺着水流弯曲传送。1930年德国的兰姆用石英纤维代替水流，作了光的弯曲传送实验，并叙述了纤维光导的特性。1951年英国霍布金斯等人进一步研究了图像在一束可弯曲的玻璃纤维内传送的规律，制造出了纤维内窥镜。1966年，英籍华人高锟最先提出用玻璃纤维进行远距离激光通信的设想-“光纤之父“。光光导纤维导纤维的的历历史史1870年英国科学家丁达年英国科学家丁达尔尔在皇家学会上表演了在皇家学会上表演了1112Chapter Seven Optical Materials60年代，光纤损耗超过1000dB/km。1973年，美国康宁公司制成传输损耗小于20dB/km的光纤。1979年，光纤损耗又降到0.2dB/km。低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。1976年，美国在芝加哥两个相距7千米的电话局间首次进行了光纤通信试验，实现了一根光纤能够同时容纳8000对人通话80年代末，横跨太平洋、长达8300km以及横跨大西洋、长达6300km的海底光缆线路，先后建成并投入使用。1993年美国政府提出信息高速公路构想，把光纤通信推进到一个新阶段。现在以光纤光缆为主体的网络已遍布全球。光纤通信成为现代通信、信息社会中信息传输和交换的主要手段。光导纤维的研究光导纤维的研究60年代，光年代，光纤损纤损耗超耗超过过1000dB/km。光。光导纤维导纤维的研究的研究1213Chapter Seven Optical Materials“以玻璃制造一条比头发还要纤细的光纤，代替体积庞大的千百万条铜线，作为传送容量几近无限的信息传送管道，是现代信息高速传输的重要载体。”光纤之父 高锟光纤的优点：光纤的优点：1、信息量大：每根光纤理论上可同时通过10亿路电话。2、直径小、重量轻：单模光纤芯线直径一般为4-10um，每公里27g。3、性能好：抗电磁干扰、保密性强、抗腐蚀、强度高。4、成本低：每公里1万元左右。光导纤维的特性光导纤维的特性“以玻璃制造一条比以玻璃制造一条比头发还头发还要要纤细纤细的光的光纤纤，代替体，代替体积庞积庞大的千百万条大的千百万条1314Chapter Seven Optical Materials7.2.1 7.2.1 光导纤维的基本构造光导纤维的基本构造纤芯位于光纤中心，直径2a=4m50m，单模光纤的纤芯为4m10m，多模光纤的纤芯为50m。成分是高纯度SiO2，掺有极少量的掺杂剂(如GeO2，P2O5)，作用是提高纤芯对光的折射率(n1)，以传输光信号。包 层 位 于 纤 芯 外 层，直 径2b=125m，其成分也是含有极少量掺杂剂的高纯度SiO2。而掺杂剂(如B2O3)的作用则是适当降低包层对光的折射率(n2)，使之略低于纤芯的折射率，即n1n2，它使得光信号封闭在纤芯中传输。7.2.1光光导纤维导纤维的基本构造的基本构造纤纤芯位于光芯位于光纤纤中心，直径中心，直径2a=41415Chapter Seven Optical Materials 涂敷层包括一次涂覆层，缓冲层和二次涂覆层。一次涂覆层一般使用丙烯酸酯、有机硅或硅橡胶材料；缓冲层一般为性能良好的填充油膏；二次涂覆层一般多用聚丙烯或尼龙等高聚物。涂覆的作用是保护光纤不受水汽侵蚀和机械擦伤，同时又增加了光纤的机械强度与可弯曲性，起着延长光纤寿命的作用。涂覆后的光纤其外径约1.5mm。通常所说的光纤为此种光纤。涂敷涂敷层层包括一次涂覆包括一次涂覆层层，缓缓冲冲层层和二次涂覆和二次涂覆层层。1516Chapter Seven Optical Materials 7.2.2 7.2.2 光纤分类光纤分类7.2.2光光纤纤分分类类1617Chapter Seven Optical Materials（1 1 1 1）石英光纤）石英光纤）石英光纤）石英光纤 目前光通信所应用的唯一商品化材料，主要由SiO2构成，一般采用SiCl4或硅烷等挥发性化合物进行氧化或水解，通过气相沉积获得低损耗石英光纤预制件，再进行拉丝。根据传播模式对折射指数断面分布的要求，可在制备预制件的过程中，加入挥发性氯化物作添加剂。用锗可提高折射指数，用硼可降低折射指数。新的动向是采用氟，例如加入CF4或CCl2F2降低包层的折射指数。加入磷(加POCl3)用来降低石英光纤的熔点。7.2.2.1 7.2.2.1 按材料分类按材料分类（1）石英光）石英光纤纤7.2.2.1按材料分按材料分类类1718Chapter Seven Optical Materials特点：石英光纤具有带宽宽，衰减低等特点，是长距离通信的理想传输介质，但在光纤入户时会遇到困难，其芯径太细，在光纤耦合，互接中需要高精密度对准，会想起很在原耦合损耗，连接器件成本和安装费用大的太大增加了系统的造价。掺杂石英光纤掺杂石英光纤掺杂石英光纤掺杂石英光纤掺杂石英主要是为了提高或降低折射率，以分别满足纤芯和包层材料性能所需。掺杂元素最终大多以氧化物形式分散于石英中，如GeO2、TiO2、Al2O3、ZrO2、B2O3、P2O5等，但掺杂氧元素是以SiF4形式存在。这些掺杂元素的原料大多是可以气化的卤化物，便宜于高温气相掺杂。特点：石英光特点：石英光纤纤具有具有带宽宽带宽宽，衰减低等特点，是，衰减低等特点，是长长距离通信的理想距离通信的理想传传1819Chapter Seven Optical Materials（2 2 2 2）聚合物光纤）聚合物光纤）聚合物光纤）聚合物光纤全全塑塑料料光光纤纤：主要由特制的高透明度有机玻璃、聚苯乙烯等塑料制成，已制成阶跃型和梯度型多模光纤，目前光纤损耗已降至数十dB/km。通信主干线由石英光纤制成的光缆承担，入户工程由聚合物光纤实现。聚聚合合物物光光纤纤：毫米量级的尺寸及大的数值孔径使它在连接和安装处理方面比较容易，价格低廉，可塑性强，重量轻，施工方便，无电磁兼容问题，可以使用廉价的LED及LD作为信号源。缺点是损耗大，耐热性低，使用寿命相对较短。（2）聚合物光）聚合物光纤纤全塑料光全塑料光纤纤：主要由特制的高透明度有机玻璃、聚：主要由特制的高透明度有机玻璃、聚1920Chapter Seven Optical Materials（3 3 3 3）液芯光纤）液芯光纤）液芯光纤）液芯光纤液芯光纤是一种新型结构的光传输产品，它采用液体材料作为芯，聚合物材料作为光学包层和保护层，具有大芯径，大数值的孔径，光谱传输范围广，光谱传输效率高，使用寿命长的特点。特别适合传导紫外光。填充于管内的液体可以是折射率略高于管壁，物化性质稳定，透光性优良的液体，选择比较广泛。早期采用简单的无机盐水溶液，后来采用有机液体，包括醇类，硝基苯，氯苯，四氯乙烯，四氯化碳，二硫化碳等。优点：可避免耦合损耗，不存在传光效率下降的问题，可适合于大功率的光源，结构简单，性能稳定主要应用于光谱治疗，紫外固化，紫外光刻，荧光检测等。（3）液芯光）液芯光纤纤液芯光液芯光纤纤是一种新型是一种新型结结构的光构的光传输产传输产品，它采用液体品，它采用液体2021Chapter Seven Optical Materials突突变变型型光光纤纤：光纤中心芯到玻璃包层的折射率是突变的。其成本低，模间色散高。适用于短途低速通讯，如：工控。但单模光纤由于模间色散很小，所以单模光纤都采用突变型。渐渐变变型型光光纤纤：光光纤中心芯到玻璃包层的折射率是逐渐变小，可使高模光按正弦形式传播，这能减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本较高，现在的多模光纤多为渐变型光纤。7.2.2.2 7.2.2.2 按折射率分布分类按折射率分布分类 相相对对于于单单模模光光纤纤而而言言，突突变变型型光光纤纤和和渐渐变变型型光光纤纤的的纤纤芯芯直直径径都都很很大大，可可以以容容纳纳数数百百个个光光信信号号模模式式同同时时传传输输，所所以皆称为多模光纤。以皆称为多模光纤。突突变变型光型光纤纤：光：光纤纤中心芯到玻璃包中心芯到玻璃包层层的折射率是突的折射率是突变变的。其成本低，的。其成本低，2122Chapter Seven Optical Materials单模光纤单模光纤(Signal Mode Fiber)(Signal Mode Fiber)：仅允许一个模式传播的光纤。多模光纤多模光纤(Multiple Mode Fiber)(Multiple Mode Fiber)：同时允许多个模式进行传播。光纤是不是单模传输，与光纤自身的结构参数和光纤中传输的光波长有关。7.2.2.3 7.2.2.3 按光纤传输模式分类按光纤传输模式分类 单单模光模光纤纤(SignalModeFiber)：仅仅允允许许一个模一个模2223Chapter Seven Optical Materials渐变型光纤：渐变型光纤：N N(r)(r)=n=n0 0(1-1/2Ar(1-1/2Ar2 2)A为折射率分数常数，n0为光纤轴芯折射率，nr为光纤中心轴至轴向距离为r时的折射率。使高模光按正弦传播，减少模间色散，提高光纤带宽，增加传输距离，但成本高。现在的多模光纤多为渐变型光纤。多模光纤的类型多模光纤的类型渐变渐变型光型光纤纤：N(r)=n0(1-1/2Ar2)A为为折射率分数折射率分数2324Chapter Seven Optical Materials当光纤芯径的几何尺寸远大于光波波长时，光纤传输的过程中会存在着几十种乃至几百种传输模式，即多模传输。反之，当光纤的几何尺寸较小，与光波长在同一数量级时，光纤只允许一种模式在其中传播，即单模传输。对于给定波长，单模光纤的芯径要比多模光纤小。例如，对于常用的通信波长(1550 nm)，单模光纤芯径为812mm，而多模光纤芯径50 mm。单模光纤不存在模间色散，带宽大，用于长途传输。但是芯径小，较多模光纤而言不容易进行光耦合，需要使用半导体激光器激励多模光纤芯径大，容易注入光功率，可以使用LED作为光源。但是存在模间色散，只能用于短距离传输。当光当光纤纤芯径的几何尺寸芯径的几何尺寸远远大于光波波大于光波波长时长时，光，光纤传输纤传输的的过过程中会存在程中会存在2425Chapter Seven Optical Materials光的折射定律：光的折射定律：临界角与光的全反射：临界角与光的全反射：7.2.3光纤传输特性光纤传输特性7.2.3光光纤传输纤传输特性特性2526Chapter Seven Optical Materials 使用一束纤维来传输光时，一端将图像分割成为和纤维丝数目一样多的像元，并且两端的纤维束排列是一一对应关系，另一端可以重新会聚成图像，这就是光纤传像的原理。光的折射定律：n0sin=n1sin1，当光疏介质入射到光密介质，即n1n01，则1；反之，则M时出现全反射现象。光导纤维传像的原理光导纤维传像的原理Company Logo使用一束使用一束纤维纤维来来传输传输光光时时，一端将，一端将图图像分割成像分割成为为和和2627Chapter Seven Optical Materials光纤中存在两种损耗机制：一种是吸收，这是光与光纤本身(在某些波长情况下)和光纤中的杂质相互作用的结果，引起电子跃迁。其后这些电子放出另一种波长的光子或者把能量变成机械振动(热的形式)放出。另一种能量损失是散射的方式，纤维的组织结构的不完整性(尺寸上可能大于或小于所传导的波长)可以引起光更改传播方向，逸出光导纤维。1、吸收损耗：分本征吸收、杂质吸收。(1)本征吸收：石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸收。(2)杂质吸收：由于材料不纯造成的，主要源于石英玻璃中的金属离子和氢氧根(OH-)。光纤的损耗光纤的损耗光光纤纤中存在两种中存在两种损损耗机制：一种是吸收，耗机制：一种是吸收，这这是光与光是光与光纤纤本身本身(在某些在某些2728Chapter Seven Optical Materials一般石英光纤杂质、缺陷最少，衰减也最小，通常小于1dB、km。多组份光玻璃光纤和塑料光纤因存在严重多重散射和一定化学结构吸收，其衰减可高达100-1000dB/km，因而有效传播距离通常不大。可见光传输在照明，指示领域非常重要，光纤传输可见光与紫外光也有很多重要而广泛的应用。塑料光纤、多组份玻璃光纤，液芯光纤在可见光波段的传输衰减比较严重，但鉴于该区段光源本身较强，且传输距离一般要求不高，因而上述光纤在可见光、紫外光传输领域仍有较多应用。一般石英光一般石英光纤杂质纤杂质、缺陷最少，衰减也最小，通常小于、缺陷最少，衰减也最小，通常小于1dB、km2829Chapter Seven Optical Materials石英玻璃光纤：采用化学气相反应制取高纯度的石英预制棒，再拉丝、制成低损耗石英光纤；主要有管内CVD法，棒内CVD法、PCVD（等离子体化学气相沉积法，VAD（轴向气相沉积）多组分玻璃光纤：SiO2、Na2O、K2O、CaO、B2O3；晶体光纤：单晶、多晶单晶制备方法：导模法、浮区熔融法红外光纤：氧化物玻璃、卤化物玻璃、硫系玻璃和卤化物晶体等7.2.4 7.2.4 石英光纤制造石英光纤制造石英玻璃光石英玻璃光纤纤：采用化学气相反：采用化学气相反应应制取高制取高纯纯度的石英度的石英预预制棒，再拉制棒，再拉丝丝2930Chapter Seven Optical Materials7.2.5 EDFA7.2.5 EDFA（掺铒光纤放大器）（掺铒光纤放大器）输入信号输入信号输入信号输入信号1530nm-1570nm1530nm-1570nm激光光源激光光源激光光源激光光源 (泵浦泵浦泵浦泵浦)980nm or 980nm or 1480nm1480nm 掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤掺铒光纤 掺铒光纤放大器是利用掺铒光纤这一活性介质，当泵浦光输入到EDF中时，大部分处于基态的Er3+抽运到激发态上，处于激发态的Er3+又迅速无辐射地转移到亚稳态上，由于Er3+在亚稳态上的平均停留时间为10ms，因此很容易在亚稳态与基态之间形成粒子数反转，此时，信号光子通过掺铒光纤，在受激辐射效应作用下产生大量与自身完全相同的光子，使信号光子迅速增多，这样在输出端就可以得到被不断放大的光信号。7.2.5EDFA（掺铒掺铒光光纤纤放大器）放大器）输输入信号激光光源入信号激光光源9803031Chapter Seven Optical Materials EDFA 主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图所示。信信号号光光耦耦合合器器光隔光隔离器离器掺铒掺铒光纤光纤光隔光隔离器离器光滤光滤波器波器输输出出光光泵泵浦浦激激 光光器器掺铒光纤放大器结构掺铒光纤放大器结构EDFA主要由主要由掺铒掺铒光光纤纤(EDF)、泵泵浦光源、耦合浦光源、耦合3132Chapter Seven Optical MaterialsEDFAEDFA的主要特点的主要特点工作在1550nm波长窗口，有效带宽30nm与光纤耦合非常容易；高增益（小信号增益40dB）；高饱和输出功率（最大输出功率27dBm）；低噪声指数（噪声指数303233Chapter Seven Optical Materials光子晶体是什么？周期排列的人工微结构材料构成材料:半导体、绝缘体、金属材料等单元尺寸:毫米、微米、亚微米 7.3 7.3 光子晶体光子晶体Photonic crystals Photonic crystals 光子晶体是什么？周期排列的人工微光子晶体是什么？周期排列的人工微结结构材料构成材料构材料构成材料:半半导导体、体、3334Chapter Seven Optical Materialsn光子晶体光子晶体-自然界中的例子自然界中的例子ButterflyOpalSea mouse光子晶体光子晶体-自然界中的例子自然界中的例子ButterflyOpalSea3435Chapter Seven Optical MaterialsPhotonic crystals in naturebluegreenyellowbrownPhotoniccrystalsinnatureblu3536Chapter Seven Optical Materials光子材料光子材料ppt课课件件3637Chapter Seven Optical Materials1987年，Yablonovitch和John提出光子晶体的概念，指出具有空间周期结构的电介质，与半导体周期结构导致电子能隙类似，会禁止某些频率的电磁波在其中传播，即形成光子带隙。1991年，Yablonovich制作了第一块光子晶体。他在折射率为3.6的材料上用机械方法钻出许多直径为1mm的孔，并呈周期性分布。这种材料被称为“Yablonovich”，它可阻止里面的微波从任何方向传播出去。7.3.1 7.3.1 光子晶体发展光子晶体发展1987年，年，Yablonovitch和和John提出光子晶体的提出光子晶体的3738Chapter Seven Optical Materials光子晶体研究被Science选为十大热点领域之一，文章以每年70%以上的速度递增。光子晶体的研究建立了光子的能带理论，打开了控制光的传播及光与物质相互作用的新领域，是凝聚态物理光学的新交叉领域。创造了一种人工设计的新材料-光子半导体，为发展新型光子器件奠定了物理基础。光子晶体：即光子禁带材料，从材料结构上看是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。光光子子晶晶体体和和半半导导体体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体研究被光子晶体研究被Science选为选为十大十大热热点点领领域之一，文章以每年域之一，文章以每年3839Chapter Seven Optical Materials国际上激烈竞争基于光子晶体的光子集成线路计划基于蛋白石结构的光子晶体波长尺度的通讯用光子部件超快光子学计划重组天线计划可调光子晶体计划毫米和亚毫米波段的集成天线技术日美欧国国际际上激烈上激烈竞竞争基于光子晶体的光子集成争基于光子晶体的光子集成线线路路计计划基于蛋白石划基于蛋白石结结构的构的3940Chapter Seven Optical Materials半导体光子晶体半导体光子晶体1930年代 电子能带论（电子带隙）1987年 光子能带（光子带隙）1948年 发明晶体管1991年 实验验证1990年代 原型器件 1958年 发明集成电路目前 探索集成光路1960年代以后 微电子革命21世纪 光子技术革命光半导体未来的半导体NobelNobelNobel?半半导导体体光子晶体半光子晶体半导导体光子晶体体光子晶体1930年代年代电电子能子能带论带论194041Chapter Seven Optical Materials光子比电子的优点传播速度更快携带更大信息更大的带宽电子系统：几百 KHz光纤系统:THz无光子-光子相互作用更小的能量损耗光子比光子比电电子的子的优优点点传传播速度更快播速度更快4142Chapter Seven Optical Materials 光子在光子晶体中的运动规律与电子在固体晶格的运动规律类似，其介电函数的周期性变化产生光子能带结构。当电磁波在周期性排列的介电材料中传播，由于在不同介质交界面处介质对电磁波的布拉格散射，电磁波将受到调制而形成能带结构，并导致在带与带之间光子能隙的出现。当光的波长或对应的能量刚好落在光子晶体禁带内时，光便无法穿过。光子能隙可分为两种：一种不完全能隙，只出现在某些特定的方向上；另一种是完全能隙，即在各个方向上都有能隙存在。光子能隙光子能隙光子在光子晶体中的运光子在光子晶体中的运动规动规律与律与电电子在固体晶格的运子在固体晶格的运动动4243Chapter Seven Optical Materials带隙光子能带结构光子能带结构允许带允许带频率禁 带标度不变性标度不变性光子晶体的能带结构光子晶体的能带结构 光子的波长与光子晶体的重复周期尺寸存在着密切关系，两者的匹配程度决定了光子入射后的行为，或穿过，或折射，或不能通过等。导带导带价带杂质态杂质态禁带禁带 半导体能带结构半导体能带结构带带隙光子能隙光子能带结带结构允构允许带许带允允许带频许带频率禁率禁带标带标度不度不变变性光子晶体的能性光子晶体的能4344Chapter Seven Optical Materials 如果光子落在完全能隙内，则此频率的光在该光子晶体中沿任何方向都不能传播，这就是所谓的光子禁带。频率落在禁带中的光在任何方面上都是被严格禁止传播的。光子带隙是一个频率区域，当入射光的频率落在其中时，它被全反射，不能穿过光子晶体。处于具有完全带隙光子晶体中的原子自发辐射被禁止。物理上，光子带隙来源于：被周期性介电结构强散射的光之间的干涉。1，光子晶体的空间结构能否相干；2，构成光子晶体材料介电常数之比散射足够强光子禁带光子禁带如果光子落在完全能隙内，如果光子落在完全能隙内，则则此此频频率的光在率的光在该该光子光子4445Chapter Seven Optical Materials光子局域光子局域-光子晶体的另一个主要特征光子晶体的另一个主要特征在无序介电材料组成的超晶格三维光子晶体中，光子呈现出很强的局域性，如果在光子晶体中引入某种程度的缺陷，和缺陷态吻合的光子有可能被局域在缺陷位置，一旦其偏离缺陷处光就将迅速衰减。当光子晶体理想无缺陷时，根据其边界条件的周期性要求，不存在光的衰减模式。但一旦晶体原有的对称性被破坏，在光子晶体的禁带中央就可能出现频宽极窄的缺陷态。光子晶体有点缺陷和线缺陷，在垂直于线缺陷的平面上，光被局域在线缺陷位置，只能沿线缺陷方向传播。点缺陷仿佛是被全反射墙完全包裹起来。利用点缺陷可将光俘获在某一个特定位置，光就无法从任何一个方向向外传播，相当于微腔。光子局域光子局域-光子晶体的另一个主要特征在无序介光子晶体的另一个主要特征在无序介电电材料材料组组成的超成的超4546Chapter Seven Optical Materials1、精密机械加工法：早期研究光子晶体过程中发展起来的方法，通过在基体材料上机械钻孔，利用空气介质与基体材料的折光指数差来获得光子晶体。但这种方法只能加工微波波段的光子晶体。2、半导体制造技术：制造亚毫米和远红外波段的光子晶体，需要采用激光光刻、电子束刻蚀、反应离子束刻蚀等先进的半导体制备技术。其中，逐层叠加(Layer2by2Layer,LBL)方法被广泛地应用于光子晶体的加工。但是，半导体制造技术在工艺上过于复杂，受目前刻蚀技术和工艺的局限,制作更短波长的三维光子晶体以及向晶体中引入缺陷态等方面仍存在很大的困难。7.3.2 7.3.2 光子晶体材料与制作光子晶体材料与制作1、精密机械加工法：早期研究光子晶体、精密机械加工法：早期研究光子晶体过过程中程中发发展起来的方法，通展起来的方法，通4647Chapter Seven Optical Materials 目前构造三维光子晶体唯一简单可行的方法是利用单分散的胶体颗粒悬浮液的自组装特性来制备，称为聚合胶体晶体阵列。由于胶体晶体的晶格尺寸在亚微米数量级，故可生长出近红外到可见光波段的三维光子晶体。胶体的自组过程可发生于重力场、离心场和电场中，也可利用模板法和颗粒连续对流方法进行。3 3、胶体自组装法：、胶体自组装法：目前构造三目前构造三维维光子晶体唯一光子晶体唯一简单简单可行的方法是利用可行的方法是利用4748Chapter Seven Optical Materials 该过程模仿了自然界中蛋白石的形成过程，利用单分散胶体颗粒悬浮液溶剂的挥发，使胶体颗粒在重力场下自组装生长到基片上，形成光子晶体。该法制备工艺简单，样品厚度可控，对实验装置无特殊要求，是目前光子晶体研究领域比较广泛采用的方法；但制备周期长，一般需要数周以上，在重力场下悬浮液中颗粒的沉降包含了许多复杂的过程，如重力沉降、扩散、晶化等过程，容易形成多晶区域。重力场下的胶体自组装重力场下的胶体自组装该过该过程模仿了自然界中蛋白石的形成程模仿了自然界中蛋白石的形成过过程，利用程，利用单单4849Chapter Seven Optical Materials 运用模板法自组装得到具有反蛋白石结构的光子晶体。在模板法中，二氧化硅、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯等胶体小球作为硬模板可排列成胶体晶体，而一些生物骨架、病毒以及植物组分作为软模板也可在三维结构中形成规则的周期性结构。模板结构通过氢氟酸蚀刻，煅烧和高温分解的方法除去后在材料的骨架上产生规则的孔隙结构。模板法制备方法简单、成本低廉受到普遍关注，也是制备生物化学传感器常用的方法。模板自组装法模板自组装法运用模板法自运用模板法自组组装得到具有反蛋白石装得到具有反蛋白石结结构的光子晶构的光子晶4950Chapter Seven Optical Materials 7.3.3 7.3.3 光子晶体应用光子晶体应用（1 1）、高效率低损耗反射镜）、高效率低损耗反射镜 利用光子晶体光子禁带的特性可以制造高品质的反射镜。在短波长区域，金属对光波的吸收损耗很大，而介质则对光波的吸收损耗非常小，因此用介质材料制成的光子晶体反射镜具有极小的损耗。另外，由于金属的趋肤效率，金属吸收的光集中于极薄的表层内，表层温度变得很高，容易造成金属反射镜的表层变形，使其质量严重下降。而由光子晶体制成的反射镜，由于它对光波的吸收分布在几个波长的范围内，所以因吸收光而产生的热量分布在较大的体积内，光子晶体反射面的温度升高值也就比金属反射镜的小很多，这样光子晶体反射镜的表面就不会被烧坏。7.3.3光子晶体光子晶体应应用（用（1）、高效率低）、高效率低损损耗反射耗反射镜镜5051Chapter Seven Optical Materials（3 3）光子晶体微腔：）光子晶体微腔：在光子晶体中引入缺陷可能在光子带隙中出现缺陷态，这种缺陷态具有很大的态密度和品质因子。这种由光子晶体制成的微腔比传统微腔要优异很多，最近研究人员制备的位于红外波段的微腔，具有很高的品质因子。（2 2）光子晶体波导：）光子晶体波导：传统的介电波导可支持直线传播的光，但在拐角处会损失能量。光子晶体波导可改变这种情况，不仅对直线路径，且对转角都有很高的效率。（3）光子晶体微腔：）光子晶体微腔：在光子晶体中引入缺陷可能在光子晶体中引入缺陷可能5152Chapter Seven Optical Materials实心光纤：通过全反射原理来导光，与普通光纤类似；空心光纤：通过光子带隙效应导光，即把光限制在光子晶体的缺陷即空气孔中导光。光子晶体光纤的特性：(1)无截止单模；(2)不同寻常的色度色散；(3)极好的非线性效应；(4)优良的双折射效应。（4 4）光子晶体光纤：）光子晶体光纤：（5 5）光子晶体超棱镜：）光子晶体超棱镜：常规的棱镜对波长相近的光几乎不能分开。但用光子晶体做成的超棱镜的分开能力比常规的强100-1000倍，体积只是常规的1%大小，对光通信中的信息处理有重要意义。实实心光心光纤纤：通：通过过全反射原理来全反射原理来导导光，与普通光光，与普通光纤类纤类似；（似；（4）光子）光子5253Chapter Seven Optical Materials一般的发光二极管发光中心发出的光经过周围介质的无数次反射，大部分光不能有效地耦合出去，二极管的光辐射效率很低。如果将发光二极管的发光中心置入一块特制的光子晶体中，并使得该发光中心的自发辐射频率与该光子晶体的光子禁带重合，则发光中心发出的光不会进入包围它的光子晶体中，而只能沿着特定设计的方向辐射并传导出去。实验表明，采用光子晶体后，发光二极管的效率会从目前的10%左右提高到90%以上。（6 6）光子晶体发光二极管）光子晶体发光二极管一般的一般的发发光二极管光二极管发发光中心光中心发发出的光出的光经过经过周周围围介介质质的无数次反射，大的无数次反射，大5354Chapter Seven Optical Materials光子晶体的未来光子晶体的未来新型光学、光通讯器件国防科技未来的半导体、光半导体LCD LCD LCD LCD 液晶显示器：液晶显示器：液晶显示器：液晶显示器：Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display 光子晶体的未来新型光学、国防科技未来的半光子晶体的未来新型光学、国防科技未来的半导导体、光半体、光半导导体体LCD5455Chapter Seven Optical Materials7.4 7.4 液晶材料液晶材料 物质的第四态液晶（liquid crystals）普通物质有三态：固态、液态和气态，有些有机物质在固态与液态之间存在第四态液晶态液晶态物质既具有液体的流动性和连续性，又保留了晶体的有序排列性，物理上呈现各向异性。液液晶晶:一种性能介于液体和晶体之间的有机高分子材料中间态物质，它既有液体的流动性，又有晶体结构排列有序性,光、电学各向异性和双折射特性。7.4液晶材料液晶材料物物质质的第四的第四态态液晶（液晶（liq5556Chapter Seven Optical Materials晶体：有光轴，不能随器成形。光轴不能随空间连续变化。液晶：有光轴，可以随器成形。光轴可以随空间连续变化。液体：没有光轴，可以随器成形。晶体：晶体：有光有光轴轴，不能随器成形。光，不能随器成形。光轴轴不能随空不能随空间连续变间连续变化。液晶材化。液晶材5657Chapter Seven Optical Materials1888年由奥地利的植物学家莱尼茨尔在测定物质溶点时发现某些物质溶化后会经过一个不透明呈白色浑浊并且发出多彩而美丽的光泽，继续加热会变成清亮的液体，1889年德国物理学家莱曼通过偏光显微镜观察这些脂类化合物,发现这些白色浑蚀的物质象液晶，而且具有双折射性,于是就命名它为“液态晶体”。1960S 被应用于DS液晶显示器1970S 发明TN液晶显示器1980S 发明STN液晶显示器液晶的由来液晶的由来1888年由奥地利的植物学家莱尼茨年由奥地利的植物学家莱尼茨尔尔在在测测定物定物质质溶点溶点时发现时发现某些某些5758Chapter Seven Optical Materials 根据成分和出现液晶相的物理条件，可分为：热致液晶(thermotropic liquid crystal)和溶致液晶(lyotropic liquid crystal)两大类。A.A.溶溶致致液液晶晶:把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶，就是由于溶液浓度发生变化而出现的液晶相，最常见的有肥皂水等。B.B.热热致致液液晶晶:把某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶，就是由于温度变化而出现的液晶相。目前显示方面的都为此种液晶。7.4.1 7.4.1 液晶分类液晶分类根据成分和出根据成分和出现现液晶相的物理条件，可分液晶相的物理条件，可分为为：热热致液晶致液晶(t5859Chapter Seven Optical Materials溶致液晶溶致液晶溶致液晶是由于溶剂破坏固态晶格结构而形成的液晶，是纯物质或混合物的各向异性浓溶液，只在一定浓度范围内形成。溶致液晶由双亲化合物与极性溶剂组成的二元或多元体系，双亲化合物包括简单的脂肪酸盐，离子型和非离子型表面活性剂，以及与生物体密切相关的复杂类脂等一大类化合物。双亲分子:多数溶致液晶具有层状结构，称层状相。在这种结构中，各层中分子的长轴互相平行并且垂直于层的平面，双亲分子层彼此平行排列并被水层分隔。溶致液晶溶致液晶是由于溶溶致液晶溶致液晶是由于溶剂剂破坏固破坏固态态晶格晶格结结构而形成的液晶，是构而形成的液晶，是纯纯5960Chapter Seven Optical Materials 根据热致液晶液晶分子的排列不同，可以分为近晶相、向列相、胆甾相三类。近晶型（近晶型（SematicSematic）分子排列分层分子排列分层层内分子互相平行层内分子互相平行 向列型（向列型（NematicNematic）分子排列不分层分子排列不分层分子指向矢大体一致分子指向矢大体一致胆甾型胆甾型（CholestericCholesteric）分子排列分层分子排列分层层内分子互相平行层内分子互相平行不同层分子指向矢逞螺旋结构不同层分子指向矢逞螺旋结构热致液晶热致液晶根据根据热热致液晶液晶分子的排列不同，可以分致液晶液晶分子的排列不同，可以分为为近晶相、向近晶相、向6061Chapter Seven Optical Materials1 1、近近晶晶型型：棒状分子互相平行排列为层状结构，长轴垂直于层平面。层间可相对滑动，而垂直层面方向的流动困难。这是最接近结晶结构的一类液晶。其粘性较大。2 2、向向列列型型：棒状分子互相平行排列，但其重心排列是无序的，只保存一维有序性。分子易沿流动方向取向和互相穿越。故向列型液晶流动性较大。3 3、胆胆甾甾型型：扁平的长形分子靠端基相互作用彼此平行排列为层状结构，长轴在平面内。相邻层间分子长轴取向由于伸出面外的光学活性基团相互作用，依次规则扭转一定角度，而成螺旋面结构。两取向相同的分子层之间的距离称胆甾液晶的螺距。这类液晶有极高的旋光特性。1、近晶型：棒状分子互相平行排列、近晶型：棒状分子互相平行排列为层为层状状结结构，构，长轴长轴垂直于垂直于层层平面平面6162Chapter Seven Optical Materials热致液晶举例热致液晶举例近晶相液晶：例如铁电液晶向列相液晶：例如普通TN、HTN、STN用液晶胆甾相液晶：例如多稳态液晶u目前液晶显示器中使用的均为热致液晶LCD LCD LCD LCD 液晶显示器：液晶显示器：液晶显示器：液晶显示器：Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display 热热致液晶致液晶举举例目前液晶例目前液晶显显示器中使用的均示器中使用的均为热为热致液晶液晶材料致液晶液晶材料LCD6263Chapter Seven Optical Materials 高分子液晶结构特征是分子上存在刚柔匹配结构的聚合物，包括高分子骨骼结构和刚直的液晶分子基或液晶元(Mesogen)所组成。高分子液晶与低分子液晶同时存在，有添加溶剂而产生液晶性的溶致型高分子液晶，以及因温度变化而产生液晶性的热致型高分子液晶。另外还有主链型高分子液晶材料，是液晶分子基或液晶元连接于高分子的骨骼上;侧链型高分子液晶材料，是液晶分子基连接于高分子主骨骼的旁边。主链型高分子液晶材料主要是应用于高性能高分子材料,侧链型则是用于高机能性高分子材料的应用。高分子液晶高分子液晶高分子液晶高分子液晶结结构特征是分子上存在构特征是分子上存在刚刚柔匹配柔匹配结结构的聚合物，包括高构的聚合物，包括高6364Chapter Seven Optical Materials铁电铁电液晶液晶 铁电性液晶指具有自主极化特征的液晶分子，结构上普遍具有手性原子中心，且大多位于分子的柔性链上。铁电液晶分子排列都有一定的倾斜角。满足下列条件的液晶具有铁电性能：具有近晶相，分子长轴与近晶相的法线之间有倾斜角，并且倾斜角不等于零；含有不对称碳原子的分子，并且不是外消旋体；对分子长轴垂直方向的偶极矩分量不为零；铁电铁电液晶液晶铁电铁电性液晶指具有自主极化特征的液晶分子，性液晶指具有自主极化特征的液晶分子，结结构上普遍构上普遍6465Chapter Seven Optical Materials7.4.2液晶的特性液晶的特性 在常见的液晶中，致晶单元通常由苯环、脂肪环、芳香杂环等通过一个刚性连接单元（X，又称中心桥键）连接组成。构成这个刚性连接单元常见的化学结构包括亚氨基（CN）、反式偶氮基（NN）、氧化偶氮（NON）、酯基（COO）和反式乙烯基（CC）等。在致晶单元的端部通常还有一个柔软、易弯曲的基团R，这个端基单元是各种极性的或非极性的基团，对形成的液晶具有一定稳定作用，因此也是构成液晶分子不可缺少的结构因素。常见的R包括-R-、-OR-、-COOR、-CN、-OOCR、-COR-、-CH=CH-COOR、-Cl、-Br7.4.2.1 7.4.2.1 液晶分子的结构特征液晶分子的结构特征7.4.2液晶的特性液晶的特性在常在常见见的液晶中，致晶的液晶中，致晶6566Chapter Seven Optical Materials液晶分子的几何形状呈现棒状，其长径比不能太小，一般要大于4；液晶分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性，因而常在分子中央部分引进双键或三键，形成共轭体系，以得到刚性的线型结构，或者分子保持反式构型，以得到线状结构。除刚性结构，分子中一般还应具有适当长度较为规整的柔性基团，直链优于支链，利于分子液相特征。刚性部分柔性部分尺度应匹配适度。要使偶极-偶极和诱导偶极相互作用有效，分子末端必须含有极性基团，或具有很强的可极化度。通过分子间电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。呈现向列和近晶相的液晶分子必须满足下列要求：呈现向列和近晶相的液晶分子必须满足下列要求：液晶分子的几何形状呈液晶分子的几何形状呈现现棒状，其棒状，其长长径比不能太小，一般要大于径比不能太小，一般要大于4；6667Chapter Seven Optical Materials液晶材料液晶材料6768Chapter Seven Optical Materials*向列型液晶材料向列型液晶材料的代表性分子结构*向列型液晶材料的代表性分子向列型液晶材料的代表性分子结结构液晶材料构液晶材料6869Chapter Seven Optical Materials代表性高分子型液晶分子结构代表性高分子型液晶分子代表性高分子型液晶分子结结构液晶材料构液晶材料6970Chapter Seven Optical Materials清亮点和熔点清亮点和熔点清亮点：液晶材料由液晶态变为各向同性液态的过程中，呈透明时的温度，标记为Tc熔点：液晶材料由晶体态变为液晶态的相变温度，标记为Tm 晶体晶体液晶相液晶相液体液体清亮点清亮点clearpointTNITcTCNTm温度温度熔点熔点7.4.2.2 7.4.2.2 液晶的物性特征液晶的物性特征清亮点和熔点晶体液晶相液体清亮点清亮点和熔点晶体液晶相液体清亮点TNITCN温度熔点温度熔点7.4.7071Chapter Seven Optical Materials 液晶分子的物理性质一般表现出各向异性，液晶物质的折射率、介电常数、磁化率、电导率、黏度等各种物质性质，在液晶分子的长轴方向和与其垂直的方向有很大不同，即存在各向异性。在电场作用下，因液晶分子的偶极特征，液晶分子将发生取向，改变其原有的排列方式，引起透光性能改变；液晶折射率对温度有依赖性，折射率随温度升高而降低，折射率各向异性也随温度上升而降低，温度接近清亮点时，各向异性急剧下降，温度高于清亮点时，各向异性消失。液晶分子的光学特性还表现在线偏振光特殊响应性。无电场时，液晶分子排列随偏振光扭转，有电场时，无此现象，这是液晶分子作为显示器开关的原理。液晶分子的物理性液晶分子的物理性质质一般表一般表现现出各向异性，液晶物出各向异性，液晶物质质的折射率、介的折射率、介7172Chapter Seven Optical Materials7.4.3液晶材料的应用液晶材料的应用 利用液晶的各种电光效应，把液晶对电场磁场、光线和温度等外界条件的变化在一定条件下转换为可视信号而制成的显示器（LCDLCD显示器）。机身薄，节省空间,驱动电压低、功耗微小、省电、发热量比较低，画面柔和不伤眼，低辐射，对人体无危害；另外还有不产生噪音、可靠性高、显示信息量大、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，便于携带等特点，画面有严重拖尾现象，不适合动态LCD LCD LCD LCD 液晶显示器：液晶显示器：液晶显示器：液晶显示器：Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display Liquid Crystal Display 7.4.3液晶材料的液晶材料的应应用用利用液晶的利用液晶的7273Chapter Seven Optical Materials 液晶显示材料最常见的用途是电子表和计算器的显示板，液晶显示中，开发最成功、市场占有量最大、发展最快的是向列相液晶显示器。按照液晶显示模式，常见向列相显示就有TN(扭曲向列相)模式，HTN(高扭曲向列相)模式、STN(超扭曲向列相)模式、TFT(薄膜晶体管)模式等。其中TFT模式是近10年发展最快的显示模式。液晶液晶显显示材料最常示材料最常见见的用途是的用途是电电子表和子表和7374Chapter Seven Optical Materials液晶显示器液晶显示器（LCD）结）结构构TFTTFT型型液液晶晶显显示示器器的的运运作作原原理理：背光源发光，也就是荧荧光光灯灯管管投投射射出出光光源源，这些光源会先经过一个偏偏光光板板然后再经过液液晶晶分分子子，分分子子的的排排列列方方式式改变穿透液晶的光线角度，然后这些光线接下来还必须经过前方的彩色的滤光板与另一块偏偏光光滤滤色色玻玻璃璃导出。位于底层的薄膜式晶体管，可藉由改变液晶的电电压压值值控控制制最后出现的光线强度与色彩，并进而能在液晶面板上组合出有不同深浅的颜色。液晶液晶显显示器（示器（LCD）结结构构TFT型液晶型液晶显显示器的运作原理示器的运作原理：背光：背光7475Chapter Seven Optical Materials扭曲向列相(TN)液晶显示的工作原理如下图：在正交偏光片之间设置TN排列液晶盒时的电光效应，在这种情况下,自然光经过偏光片检偏后出射垂直振动方向的偏振光，经过90度扭曲时，偏振方向亦顺着液晶旋转了90度。故无外加电压时光能透过；扭曲向列相扭曲向列相(TN)液晶液晶显显示的工作原理如下示的工作原理如下图图：在在7576Chapter Seven Optical Materials 而在施加一定电压时，由于液晶分子发生了偏转，分子长轴方向与电场方向一致,光的旋光性消失，光被遮断。如果把电极制作成图形，即实现了显示。而在施加一定而在施加一定电压时电压时，由于液晶分子，由于液晶分子发发生生7677Chapter Seven Optical Materials 由于单一液晶分子性能的局限性，目前显示用液晶材料通常由10种左右的液晶分子组成，通过混合多种单质材料，可得到单质液晶得不到的功能与性质，如加宽液晶的温度带，降低黏度便使响应速度加快，获得合适的光学各向异性等。由于由于单单一液晶分子性能的局限性，目前一液晶分子性能的局限性，目前显显7778Chapter Seven Optical Materials20世紀世紀21世紀世紀拟纸化更加方便更加方便高解析度更佳更佳显示显示效果效果图像电影图像电影书籍档案书籍档案液晶材料20世紀世紀21世紀