红外和导光材料PPT课件

Chapter2光学功能材料(2),(OpticalFunctionalMaterials),三、红外材料,红外材料是指能够透过红外线，并对不同波长的红外线具有不同透过率、折射率和色散的材料。,红外的波长范围很宽，按波长分为三个光谱区：近红外(0.715m),中红外(1550m)，远红外(501000m)。,1、主要的红外材料,红外材料一般都是晶体，主要有碱卤化合物晶体、碱土卤化物晶体、氧化物晶体、其它无机化合物晶体和半导体晶体。,（1）碱卤化合物晶体离子晶体如LiF、NaF、KCl、KBr等；这类晶体熔点高，易生成大晶体，具有较高的透过率和较宽的透过波段。缺点是晶体易受潮、硬度低、力学强度差。,（2）碱土卤化物晶体离子晶体:CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等；特点:较高的力学强度和硬度，难溶于水。应用：适合窗口、滤光片、基板等方面。,（3）氧化物晶体晶体：Al2O3、SiO2、MgO和TiO2等。特点：具有优良的物化性质，熔点高、硬度大，化学稳定性好。应用：可作为优良的红外材料，在火箭、导弹、人造卫星、通讯、遥测等方面的红外装置中被广泛用作窗口和整流罩。,一些红外光学材料的透光范围,（4）其它无机化合物单晶体无机晶体：SrTiO3（浸没透镜）、Ba3Ta4O15（耐高温）、Bi4Ti3O12等；金属铊的卤化物晶体：TlBr、TlCl、TlBr-TlCl等。特点：具有很宽的透过波段(145m)，且微溶于水。应用：适合在较低温度下使用的良好的红外窗口和透镜材料。,（5）半导体晶体晶体：PbS、PbSe、CdSe、CdTe、IrSb，PtSi、HgCdTe等。特点：该探测器可覆盖125m的红外波段。应用：是目前国外制备光伏列阵器件、焦平面器件的主要材料。其中HgCdTe是目前最重要的红外探测器材料，,2、红外材料的应用,（1）辐射测量与光谱辐射测量,（2）对能量辐射物的搜寻和跟踪,如非接触温度测量，农业、渔业、地面勘探，探测零件焊接缺陷等。,如宇宙装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等。,（3）制造红外成像器件、夜视仪器和红外显微镜,（4）通信和遥控,如火山、地震研究，肿瘤、中风早期诊断，军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等。,如宇宙飞船之间的视频和音频传输，海洋、陆地、空中目标的距离和速度测量。红外通信抗干扰性好。,1、红外测温原理：,应用之一：红外快速测温测定仪,物体在绝对零度（0K）以上，都有能量辐射，其辐射强度随温度升高而加大，辐射峰波长向短波方向偏移。从绝对黑体表面辐射的全部能量与其表面温度的四次方成正比，检测出辐射能量即可求出温度。当温度在人体正常体温附近变动时，辐射光谱处在红外波段。检测红外波段的辐射能量，就可以得到人体的温度。,（1）非接触式测量；（2）响应速度快；（3）对人体无伤害。,2、红外测温的特点：,3、目前应用红外测温的领域：,冶金：炼钢炉建材：水泥窑炉、玻璃热加工、沥青塑料：薄膜生产，复合材料造纸：高速转鼓发热情况监视食品：食品加工温度医疗：红外热成像仪,（1）门框式体温探测仪,适用范围：海关、机场等大流量人群场所，通过扫描人体额头温度进行测试。,4、快速体温探测仪,适用范围：海关、机场等大流量人群场所，通过扫描人体额头温度进行测试。设定温度可自动报警。,(2)悬挂式体温探测仪,(3)额头红外测温仪,适用范围：直接测量人体额头的温度，设定温度可自动报警，主要用于中等流量的人群温度测试。,(4)手提便携式测温仪,适用范围：机场、学校、机关、工业企业的场所人群的温度测试。,适用范围：用于海关、机场等大流量人群。将手掌伸进检测口，通过检测手掌温度进行测试。,(5)手掌式测温仪,可以连续测量气体浓度，如CO、CO2、CH4、C2H4、C3H8、C4H10、N2O、NH3等气体浓度。,应用之二：红外气体分析仪,仪器具有良好的稳定性，选择性和抗震性，因此，可以广泛应用于环境保护、医学研究、化工流程、石油工业、录井勘探、冶金、机械工业等领域，也可以用于实验室分析。,根据红外辐射在气体中的吸收带的不同，可以对气体成分进行分析。例如，二氧化碳对于波长为2.7m、4.33m和14.5m红外光吸收相当强烈，并且吸收谱相当的宽，即存在吸收带。根据实验分析，只有4.33m吸收带不受大气中其他成分影响，因此可以利用这个吸收带来判别大气中的CO2的含量。,二氧化碳红外气体分析仪由气体(含CO2)的样品室、参比室(无CO2)、光调制器、反射镜系统、滤光片、红外检测器和选频放大器等组成。,滤光片型红外光谱仪主要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限，很难分析复杂体系的样品。,应用之三：红外光谱仪,傅立叶变换红外光谱仪,红外探头是靠探测人体发射的红外线而进行工作的。探头收集外界的红外辐射通过聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收了红外辐射温度发生变化时就会向外释放电荷，检测处理后产生报警动作。,夜间可见光很微弱，但人眼看不见的红外线却很丰富。红外线探头可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。,应用之四：红外防盗电子警犬,这是红外探测器，当人走进防区内时，它能检测到人体发出的热量而发出报警信息。,这也是一种红外报警探测器，它的防区范围可达到225米，一般情况，它用于室外周界防范。,最常用的周界防范措施是使用红外对射报警探测器，它是由红外发射端和接收端组成，一旦中间有阻挡，接收端就能发出报警信号。,由红外传感器、限时控制器和电源等组成，其特点是：（1）由人体感应开启，传感器能接受人体发出的红外线，人离开自动关闭；（2）如果限时时间已到，而洗手者尚未离开，水龙头也会自动关闭，从而达到节水目的。,应用之五：限时红外节水龙头,应用之六：红外开关,红外遥控开关电路图,应用之七：红外摄像机,红外B超乳腺扫描诊断系统采用了当前最先进的电子、计算机、光学各领域技术,安全可靠。它能同屏显示多幅图像以及动、静态图像分割显示，以便于比较。高分辨显示器，医疗专用高灵敏度红外摄像机，对乳腺组织病变洞察秋毫。,红外B超乳腺诊断系统,红外无损探伤仪可以用来检查部件内部缺陷，对部件结构无任何损伤。例如，检查两块金届板的焊接质量，利用红外辐射探伤仪能十分方便地检查漏焊或缺焊；为了检测金属材料的内部裂缝，也可利用红外探伤仪。将红外辐射对金属板进行均匀照射，利用金属对红外辐射的吸收与缝隙(含有某种气体或真空)对红外辐射的吸收所存在的差异，可以探测出金属断裂空隙。收到的是等量,应用之八：红外无损探伤仪,红外无损探伤仪工作原理图仪,电磁波测距原理：,通过测定电磁波在测线两端往返传播的时间t进行测距的方法。,应用之九：红外测距仪,红外测距仪工作原理图,红外测距仪,红外显微镜,红外教鞭,四、光色材料,光色现象和光色材料：材料受光照射着色，停止光照后，又可以地褪色，这一特性称为材料的光色现象。具有光色现象的材料则称为光色材料。,如变色眼镜片在较强阳光的照射下，能在几秒钟内自动变暗，而无光照时几分钟又可自动恢复。,某些天然矿物，如方解石和萤石等在阳光下也会发生颜色变化。,方解石,萤石,各种颜色的萤石手链,（1）光色玻璃,特征：在蓝紫或紫外光等短波长光照下，能对可见光产生吸收而着色，着色的浓度一般会受光照的强弱而改变。一旦光照去掉，会较快地恢复原先的透光性.。,例：卤化银光色玻璃含有卤化银的玻璃从熔融态冷却，控制冷却速率，卤化银在玻璃中以微米尺度的晶相分散在玻璃中。无短波光照时，散射极小，显高度透明态。,1、种类,在紫外至蓝紫波段范围的光照激发下，发生光化学反应，分解出游离态银原子，产生光散射变色；去掉光照，热运动使银原子复合成卤化银。,应用：太阳镜、防眩车窗玻璃、光信息存贮.,变色眼镜由光色玻璃制成。其主成分为二氧化硅（62%）、氧化硼（1522%）、氧化铝（7%）、氧化锆（10%）、氧化钛（2%）及少量的锂、钠、钾氧化物。在制作过程中渗进了对光敏感的物质，如氯化银、溴化银（统称卤化银）及催化剂氧化铜。,眼镜片从无色变成浅灰、茶褐色，再从黑眼镜变回普通眼镜。其变色原理大致为：卤化银晶体见光分解释出许多黑色的微粒银，均匀地分布在玻璃里，使镜片颜色变暗，光越强色越暗；当光线消失后，银原子和卤素在氧化铜催化下又会迅速地结合成透明的卤化银微晶，镜片也随之变得透明起来。卤化银常驻在玻璃里，使这种分解和化合反应反复无穷地进行着。绿色和茶色镜片都能吸收紫外线和红外线，灰色镜片既能阻挡耀眼的阳光，又不改变外界景物的颜色。,（2）光色晶体,一些晶体具有光色互变性。,CaF2：Sm、Eu单晶体,光色晶体颜色的可逆变化，通常是由于材料中两种不同的电子陷阱，他们之间发生光致可逆电荷转移。,光存储材料,光色材料一个最重要的用途是作为光存储材料。,表用于全息存储的光色材料,2、光色材料的应用,信息存储容量大,全息存储的特点,记录速度快,记录信息不易丢失,便于长期保存,便于拷贝复制,其他特点，例如：利用全息摄影技术可以制出能够表现被摄物立体效果的全息图，也可以通过由全息图组成的全息视听盘进行活动画面的再现等。,不足之处:对影调连续变化的原件记录效果差;不易表现被摄物的色彩;与计算机联机使用比较复杂;在阅读用单色激光显示的再现影像时视感较差等。,全息存储记录过程,全息存储读出过程,光学体全息存储相关识别原理,小型体全息存储系统（清华大学）,采用Fe:LiNbO3晶体存储了1000幅图像，图中分别为第1、100、200、500、800、1000幅全息图的清晰再现。,微型全息存储系统,全息指纹识别系统,全息照相是一种无透镜的两步成像。原理是：利用物光和参考光干涉在感光胶片上记录一幅干涉图样，呈错综复杂、透明度不同的花纹，称为全息（即全息照片），相当于把胶片制成一不规则的光栅，然后利用全息图对适当照明光的衍射，把原三维影像提取出来。后一过程称为重现。全息图是一个天然的信息存储器，可把冻结了的景物重新复活在人们眼前。,全息照相,五、光导材料（光纤）,光纤通信是以光纤为传输媒质,以光信号为信息载体的通信方式。,构成光纤的材料主要是石英纤维（SiO2）;光纤由内芯和包层组成，芯的折射率略大于包层，利用光在内芯的折射或在芯与包层界面上的全反射实现光的传播。,1、光纤通信的研究与发展2、光纤通信系统基本组成3、光纤通信的特点4、光导纤维的种类5、光导纤维的应用,主要内容：,（一）光纤通信的研究与发展,1880年，美国科学家贝尔发明光电话-光通信开始起源发展。1960年,美国人梅曼发明第一台红宝石激光器。1966年，英籍华人高锟指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制造出损耗低于20dB/km的光纤。1970年是使光纤通信发展出现跨越的一年，美国康宁公司研制出了损耗系数为20dB/km的光纤。美贝尔公司研制出使用寿命长达几小时的半导体激光器-光纤通信从此进入飞速发展。,光纤通信发展三个阶段,1966-1976年:从基础研究到商业应用的开发时期。1976-1986年:以提高传输速率和增加传输距离为目的和大力推广的发展阶段。1986-1996年:以实现超大容量超长距离为目标,全面深入开展新技术研究阶段。,（二）光纤通信系统的基本组成,光纤线路把来自光发送机的光信号,以尽可能小的畸变和衰减传输到光接收机。,光接收机将光纤传来的光信号进行光/电转换,并对转换出的电信号进行放大和恢复.,光中继机将经过一段光纤线路传输后产生了失真的光信号进行放大及再生后送入下一段光纤中传送从而可延长光信号传输距离。,光发送机将待发送的电信号进行电/光转换,并将转换出的光信号最大限度的注入光纤中进行传输。,传输衰减小，传输距离长。传输频带宽，通信容量大。抗电磁干扰，传输质量好。体积小、重量轻、便于施工。原材料丰富，节约有色金属，有利于环保。易碎不易接续。,（三）光纤通信的特点,（四）光纤的种类,按工作波长：紫外光纤、可观光纤、近红外光纤、红外光纤。,按折射率分布：阶跃型、近阶跃型、渐变型、其它（如三角型、W型、凹陷型等）。,按传输模式：单模光纤（含偏振保持光纤、非偏振保持光纤）、多模光纤。,按原材料：石英玻璃、多成分玻璃、塑料、复合材料（如塑料包层、液体纤芯等）、红外材料等；按按被覆材料:还可分为无机材料（碳等）、金属材料（铜、镍等）和塑料等。,1、石英光纤,石英光纤(SilicaFiber)是以二氧化硅为主要原料，并按不同的掺杂量，来控制纤芯和包层的折射率分布的光纤。石英系列光纤，具有低耗、宽带的特点，现在已广泛应用于有线电视和通信系统。,掺氟光纤（FluorineDopedFiber）为石英光纤的典型产品之一。,掺氟光纤的纤芯，大多使用二氧化硅，而在包层中却是掺入氟的。氟的作用主要是可以降低二氧化硅的折射率。因而，常用于包层的掺杂。因此掺氟光纤中，纤芯并不含有影响折射率的氟素掺杂物。由于它的瑞利散射很小，而且损耗也接近理论的最低值。所以多用于长距离的光信号传输。,石英光纤(SilicaFiber)与其它原料的光纤相比，还具有从紫外线光到近红外线光的透光广谱，除通信用途之外，还可用于导光和传导图像等领域。,作为光通信领域所开发的石英系列光纤的工作波长，尽管用在较短的传输距离，也只能用于2m。为能在更长的红外波长领域工作，所开发的光纤称为红外光纤。红外光纤（InfraredOpticalFiber）主要用于光能传送。例如有：温度计量、热图像传输、激光手术刀医疗、热能加工等等，普及率尚低。,2、红外光纤,复合光纤（CompoundFiber）是指在二氧化硅原料中，再适当混合诸如氧化钠、氧化硼、氧化钾等氧化物的多成分玻璃作成的光纤。特点是多成分玻璃比石英的软化点低且纤芯与包层的折射率差很大。主要用在医疗业务的光纤内窥镜。,3、复合光纤,氟化物光纤（FluorideFiber）是由氟化物玻璃作成的光纤。这种光纤原料包括氟化化锆、氟化钡、氟化镧、氟化钠、氟化铝等氟化物玻璃原料，简称为ZBLAN。主要工作在210m波长的光传输业务。,4、氟化物光纤,由于氟化物光纤具有超低损耗光纤的可能性，正在进行着用于长距离通信光纤的可行性开发，例如：其理论上的最低损耗，在3m波长时可达10-210-3dBkm，而石英光纤在1.55m时却在0.150.16dB/Km之间。目前，氟化物光纤由于难于降低散射损耗，只能用在2.42.7m的温敏器和热图像传输，尚未广泛实用。最近，为了利用氟化物光纤进行长距离传输，正在研制1.3m的掺锗光纤放大器。,硫化物光纤是氟化物以外研究的最多的一种光纤。特点：具有较宽的红外透明区域（1.212m),力学性质和结构性能均优于氟化物光纤。,5、硫化物光纤,6、金属氧化物光纤,以Sb,Bi,Mo,W等氧化物为基础的光纤。最明显的特点是它们的物理和化学性能显著优于其他氧化物系统的光纤。,7、晶体光纤,所用材料有AgCl，AgBr，KBr，CsBr，KCl等，可以是多晶和单晶。主要用于医疗、大能量激光传输、辐射计量、热成像和非线性光学等领域。,8、增强光纤,所用材料为增强复合材料。,1、防鼠光纤（辣椒素微囊+聚乙烯）,2、防弹光纤（双层钢塑护层+防弹带）,3、发光光