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1、电子信息材料 -07信息和光电材料,材料科学与工程学院：马永昌,第七章信息和光电材料,7.1 固体激光材料 7.2 光电显示材料 7.3 光电探测器材料 7.4 光导纤维 7.5 高密度磁光存储材料 7.6 光信息存储材料 *7.7 非线性光学材料,随着激光的出现， 光通信、光存储、光信息处理等学科开始迅猛发展。 特别是70年代低损耗光纤的研制成功，在通信行业引发 了全新的革命。 80年代光存储材料取得突破性进展。,7.1 固体激光材料,激光最亮的人造光源。发明者：梅曼（美国） 1960年，第一台激光器诞生。,激光的特点：,1方向性好，亮度高，能量集中2单色性好，谱线宽度小 3相干性好 4信息

2、容量大 5高简并度的强激光会有许多新的物理效应,激光器的输出水平不断提高： 中、小功率器件，高功率、高能量激光器； 脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。 连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上； 超短脉冲：纳秒 皮秒 费秒 阿秒 脉冲功率密度则可高达1020瓦/cm2以上。,输出激光的频率覆盖着越来越广的范围： 长至亚毫米（太赫兹） 短至x射线 激光也在探索中。,激光应用的开创性表现在 ： 1. 激光光谱技术比传统的分辨率提高了百万倍，灵敏度提 高了百亿倍； 2. 激光为信息技术开拓了丰富的频率资源； 3. 激光技术开辟了崭新的军事应用,光物理的基础研究孕育了激光器的诞

3、生,19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究,1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性,1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念,1900年普朗克引入的能量量子的概念,基础性、探索性研究,激光开始走向新技术的开发和工程应用阶段,1954年研制成第一台微波激射器,1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计,1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器。,我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功,受激辐射,考虑一个2能级体系： 光子与处于低能级的粒子作用，低能级粒子吸收光子向高能级跃迁，光子数减少。称受激吸收。 光子与

4、处于高能级的粒子作用，高能级粒子放出光子向低能级跃迁，能量降低；不仅没有被吸收还能够带出另一个与之完全相同无法区分的另一个光子。称受激辐射。,2能级体系（正常时入射光被削弱）,设能级E1和E2上单位体积内的原子数分别为N1和N2，自发辐射、受激吸收和受激辐射的概率分别为A21、W12和W21。,粒子数反转,受激辐射占主导之必要条件；受激辐射受激吸收,粒子数反转的实现,激光材料,激光材料也就是激光工作物质，它具有适当的能级结构，可以实现粒子数反转，粒子数反转也就是粒子数反常分布。 对此种物质激励，使粒子从低能级跃迁至高能级的过程称为光泵，也称泵浦。通常的工作介质一般都是包含亚稳态的3能级或4能级

5、结构的原子体系。（这个反常分布需要外界能量来维持） 从基质结构上看：激光晶体和激光玻璃。,四能级系统 在外界激励下，基态E1的粒子大量地跃迁到E4，然后迅速转移到E3。E3能级为亚稳态，寿命较长。E2能级（下能级）寿命较短，因而到达E2上的粒子会很快回到基态E1。所以在E3和E2之间可能实现粒子数反转。由于激光下能级不是基态，而是激发态E2，所以在室温下激光下能级的粒子数很少，因而E3和E2间的粒子数反转比三能级系统容易实现 (只要外界能量激励) 。 氦氖激光器、二氧化碳激光器、钕玻璃激光器以及YAG激光器都是四能级系统激光器。,激光晶体,基质晶体（提供晶格场）： 氟化物晶体，含氧金属酸化物晶

6、体，金属氧化物晶体。 掺杂粒子（发光中心）： 过度族金属激活离子，二价、三价稀土激活离子，锕系激活离子。 性能要求：荧光线宽，荧光寿命，荧光量子效率，能态转换效率，激光带宽度，吸收系数，振荡波长，基质内部损耗，热光系数，理化性能，能级结构，材料长度。,典型激光晶体材料,红宝石激光器 基质材料：-Al2O3 激活离子：Cr3+，典型的三能级系统 钕-钇铝石榴石激光晶体 基质材料：Y3Al5O12 激活离子：Nd3+，典型的四能级系统,激光晶体的发展,目前正在研究中被认为比较有前途的材料有以下几种：Nd3+：YAlO3， Nd3+：Ca3(PO4)3F，La2O2S，Nd3+：LiNbO3 从实际

7、技术应用角度来说，可调谐激光器具有非常广泛的应用价值。,7.2 显示和发光材料,包括各种类型的液晶材料，以及应用于各种显示器的电致发光和阴极射线发光材料等。 三基色：R， G， B 显示是什么频段的显示？（一般指可见光） 直视显示 平板显示 发光显示 阴极射线管,有机显示,开辟新的应用. 发展大尺寸生产线技术, 发展大屏幕OLED:40吋 微显示 柔性屏,13-inch OLED,flexible display,固体照明(SSL):要求,高lm/w 高亮度 长寿命 低价格(制造成本+使用成本),为何发展固体白光照明,美国照明市场:$12billin, 全球$40billin; 22%的电能用

8、于照明;相当于100个大型电站,其价值是$55billin. Incandescent bulb:15lm/w; 荧光灯:70-100lm/w 迫切需要发展新的照明光源: 高效率(150-200lm/w,高亮度,高显现指数(80), 长寿命, 低价格($0.1lm)的光源.,流明：光通量的单位。发光强度为1坎德拉(cd)的点光源，在单位立体角（1球面度）内发出的光通量为“1流明”。英文缩写(lm)。 所谓的流明简单来说，就是指一支蜡烛的烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10流明，因此可以发出400流明的光。40瓦的白炽灯220伏时，光通量为340流

9、明。光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明，也叫明亮度。,常见发光的大致效率（流明/瓦） 白炽灯，15白色LED，20日光灯，50太阳光，94,材料的发光,研究发光的意义,显示器件的性能,实质就是发光显示材料的性能。 1/亮度，cd/m2； 2/发光效率； 3/对比度：显示部分亮度/非显示部分亮度； 4/分辨率：像元密度和像元总数； 5/灰度：显示屏上亮度的等级；灰度越高，图像层次越分明，颜色越丰富，图像更柔和； 6/响应时间、余辉时间：后者是指从切断电源到图像消失所需的时间；,7/寿命和稳定性； 8/色彩：取决于三基色发光光谱纯度等； 9/视角：液晶与CRT的比较；

10、 10/工作电压和功耗。,常见的显示用（发光）材料,CRT （阴极射线管）发光材料：荧光粉 有上百种，具有高的发光效率和各种各样的发光光谱，从红外到紫外。实质是高能电子轰击荧光粉发光，余辉特性从极短到极长。 对原材料的要求必须有较高的纯度，有害杂质应当小于10-7浓度。 杂质按作用不同分为：激活剂，敏化剂，猝灭剂和惰性杂质。 普通发光材料一般有（ZnS：Ag）,（ZnS： Cu,Al）等 近年来，CRT荧光粉的发光效率已经接近极限，人们正在尝试其他方法。,LED（发光二极管）材料： 是能够辐射出光的半导体二极管，施加正向电压时，电子空穴在PN结区复合，从而发光。能量转换效率高，低电压，长寿命，

11、低电流。在信号指示时经常用到。 1969年红色LED，GaP；近来GaN蓝色LED。 LED是PN结本征发光器件，发光颜色取决于禁带宽度，要想获得各种颜色的LED，并且高效率，应该： 材料导电性应该可控； 对于发射的光透明； 发光跃迁几率高。,各种光电显示器件性能,PDP：等离子体显示；LED：发光二极管 A：人们的满意度为优，D：人们最不满意,7.3 光电探测器材料,英国“风筝”单兵武器微光瞄准镜 在SA80 5.56毫米枪上使用。重不超过1千克，弱月光下观察距离600米，在星光下400米。,半导体光电探测器的工作原理,利用光辐射在半导体中产生的光生载流子的各种相关效应进行光电转换的一类器件

12、 按照工作机理，半导体光电探测器可分为光电导型和光伏型两大类。 能量大于带隙的光子可以将价带的电子激发到导带，产生带间吸收，形成光电导，称为本征型光电导。而涉及杂质能级电子的跃迁时，称为非本征型光电导。,常规光电导探测器将优先考虑本征型光电导工作机制。为了适应不同工作波段及性能的需要，相应考虑利用不同禁带宽度和不同光电特性的半导体材料来制作。 制作中红外、远红外波段的探测器时，考虑非本征型光电导工作机制。一般用杂质能级比较浅的材料来实现，但是需要工作与低温环境下；新式的探测器可以用量子阱子能级间的吸收这一光电导机制实现，此类器件可以工作于室温下。,光伏型探测器 原理：利用半导体的PN结在光的作

13、用下产生光电压（光电流）这一效应来工作的。 性能一般优于光电导型探测器，无需偏置电压即可进行光电能量转换。,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,宽禁带紫外光电探测器材料,应用实例： 探测火焰中发出的具有某些特征的紫外光；紫外剂量检测；高密度光存储系统的数据读出；对于某些气体的探测和监测。 尽管任何半导体材料在短波长的方向都有响应，但是随着光波长的缩短，材料的吸收系数剧烈增加，光的穿透深度大为减小，表面的影响显著增加，相应的光电响应受到很大影响。因此我们采用宽禁带的半导体的本征光吸收效应。,宽禁带半导体材料,能隙一

14、般大于2.0 eV（类似于绝缘体材料） SiC，金刚石； BN，AlN，GaN，InN； Zn，Cd，Mn（O，S，Se，Te）； SiC材料的优点： 宽禁带，高电子饱和漂移速度，高击穿场强，高热导率和高的化学稳定性等。是作为紫外光电探测器的理想材料。但是，也正是由于宽禁带和化学稳定性等优点，使得它的晶体生长和器件制作和变得极为困难。,7.4 光导纤维,光纤即光导纤维，是一种细小、柔韧并能传输光信号的介质，光缆由多条光纤组成。与双绞线和同轴电缆相比，光缆适应了目前网络对长距离传输大容量信息的要求，在计算机网络中发挥着十分重要的作用。 分为单模光纤和多模光纤。,光纤通信的发展历程,从1876年发

15、明电话到20世纪的60年代末，通信线路是铜制导线。我国采用的8管同轴电缆加上金属护套，质量达4吨/公里，有色金属的消耗实在是太大。应用需求必然会促进材料的研发。 20世纪的70年代初，高纯度的二氧化硅和二氧化锗玻璃研制成功，纤维光波导技术开始起步。第一根损耗为20 dB/km的光纤的研制成功揭开了人类通信史上新的一页。 到20世纪的80年代初期，光纤的传输损耗在1.55m波长时达到0.20 dB/km。,20世纪的80年代中期，全世界范围内的光纤通信开始走向实用化。 石英玻璃光纤的质量为27克/公里。原料廉价，传输损耗小，不受外界电磁干扰，保密性强。 1993年后，全球范围信息高速公路的建设。

16、 到2000年，世界光纤的年产量达到6000万公里以上，而已经铺设的光纤总长度到达2亿公里以上。正好印证了电子到光电子的跨越。 光纤的出现带动了集成光学的发展。,7.4.1 光纤分类和基本原理,光纤的分类目前光纤的种类繁多，但就其分类方法而言大致有四种，即按光纤剖面折射率分布分类，按传播模式分类、按工作波长分类和按套塑类型分类等。 此外按光纤的组成成份分类，除目前最常应用的石英光纤之外，还有含氟光纤与塑料光纤等。,光纤的基本工作原理,工作频段：光频，红外（含）以上 传输原理：光线按某个入射角由光密媒质到光疏媒质时，会发生全反射。,7.4.2 光纤结构和类型 光纤结构 光纤（Optical Fi

17、ber）是由中心的纤芯和外围的包层同轴组成的圆柱形细丝。 纤芯的折射率比包层稍高，损耗比包层更低，光能量主要在纤芯内传输。 包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起一定的机械保护作用。 设纤芯和包层的折射率分别为n1和n2，光能量在光纤中传输的必要条件是n1n2。,(a) 突变型多模光纤； (b) 渐变型多模光纤；（c） 单模光纤,对于“模”概念的解释,在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的平面波和沿剖面方向传播的平面波两个分量。沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上将产生反射，如果此波在一个往返中（入射和反射）相位变化为2的整数倍，就会形成驻波。显然，只有沿剖面方向分量能够形成驻波的那

18、些以特定角度入射进光纤的光才能在光纤内传播，这些光波称为模。 在光纤内只能传输一定数量的模。通常，纤芯直径较粗（几十微米）时，可以传输几百个以上的模。而纤芯很细时（5-10微米），则只能传播一个模。相应称为多模光纤和单模光纤。,7.4.3 光纤的传输特性,1. 光纤色散 色散(Dispersion)是在光纤中传输的光信号，由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应。 色散的种类： 模式色散 材料色散 波导色散,2. 光纤损耗 包括吸收损耗和散射损耗两部分。 吸收损耗 是由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的。 散射损耗 主要由材料微观密度不均匀引起的瑞利(Rayleigh

19、 )散射和由光纤结构缺陷(如气泡)引起的散射产生的。 瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。,单模光纤损耗谱， 示出各种损耗机理,7.4.4 光纤特性测量方法, 光纤的特性参数很多，基本上可分为几何特性、光学特性和传输特性三类。 几何特性包括纤芯与包层的直径、偏心度和不圆度； 光学特性主要有折射率分布、数值孔径、模场直径和截止波长； 传输特性主要有损耗、带宽和色散。,常用的光纤材料,石英系玻璃材料 多组分玻璃材料 聚合物光纤,7.5 高密度磁光存储,光盘信息存储的特点 2. 光盘信息存储的读取和写入,记录密度高 (107 -108 bit/cm2) 存储容量大 信息保存

20、时间长 不同平台可以互换 存储多种媒体 价格低廉,光盘系统特点,CD盘片的结构(Compact Disc)光盘,120mm,15mm,光道,1.6m,0.6 m,对比：磁盘,CD-ROM光盘的信息是沿着盘面由内向外螺旋形信息轨道(光道)的一系列凹坑的形式存储的。光道上不论内圈还是外圈，各处的存储密度一样。光道的间距为1.6m，光道宽度为0.6m，光道上凹坑深约为0.12m。,CD-R光存储系统 CD-R的工作原理是利用大功率激光束的热效应使激光焦点照射的有机染料微区产生不可逆的物理化学变化，形成具有与CD-ROM光盘凹坑相同光学反射特性的信息凹坑。,保护层 反射金层 有机染料记录层 聚碳酸酯基

21、层,DVD光存储系统 DVD原名是Digital Video Disc的缩写，意思是“数字电视光盘(系统)”，实际上DVD的应用不仅仅是用来存放电视节目，它同样可以用来存储其他类型的数据，因此又被称为Digital Versatile Disc，是数字多用途光盘。 DVD的特点是存储容量比现在的CD盘大得多，最高可达到17 GB。一片DVD盘的容量相当于现在的25片CD-ROM(650 MB)，而DVD盘的尺寸与CD相同。,DVD的存储容量是怎样提高的,DVD盘光道之间的间距由原来的1.6m缩小到0.74m，而记录信息的最小凹凸坑长度由原来的0.83m缩小到0.4m，这是DVD盘的存储容量可提

22、高到4.7 GB的主要原因，它的容量是CD的7倍,记录密度与激光波长的关系： 存储密度依赖于写入信息的激光波长。面存储密度同波长的平方成反比。采用可见光作写入的光盘信息密度为107-108b/cm2，因此现在大力发展蓝光激光器。,磁光效应简介,1845年，M.Faraday最先观测到磁光效应：当线偏振光通过放在磁场中的透光物质，并沿着磁场方向传播时，光的偏振方向产生旋转。 1876年，J.Kerr发现的磁光效应：当线偏振光入射到放在磁场中的不透光物质反射时，这个反射光的偏振方向产生旋转。 1897年，塞曼发现的磁光效应：物质的发光谱线在磁场中发生分裂的现象。 19世纪末，二十世纪初的其他一些磁

23、光效应。,磁光效应材料与记录原理,居里温度热磁写入：磁性膜中需要记录的部分被激光照射加热，温度上升到Tc以上，该部分变为非磁性，在其冷却过程中，受其周围磁场作用，会发生相应磁化反转。如果通过线圈或永磁体外加磁场，则可实现磁化的完全反转。 补偿温度写入； 矫顽力热磁写入； 磁滞伸缩热磁写入。,写入之前,写入中,写入之后,磁光记录信息的读出光电检测,A : 0100 0001 (二进制),光磁记录介质应具备的特性： （1）满足垂直磁化的的条件 （2）作为能稳定的保持微小磁畴结构的条件 （3）再生灵敏度高 （4）记录灵敏度高 （5）低噪音 （6）化学、结构等稳定 （7）便于大面积均质成膜,功能材料作

24、为信息存储材料的主要条件是 （1）当外界激励P调节到达一定的临界值Pc时，体系或分子可以从一种状态到达另一种状态； （2）当外界微扰P分别处在从小到大高于Pc和从大到小低于Pc时，功能体系的性质应有不同的数值（即具有滞后效应），这种与样品状态历史有关的现象就起着记忆功能； （3）功能体系在着两种状态之间的过度必须很明显，并且被很灵敏的检测。,磁光效应材料: 磁光盘以光热磁原理进行记录、再生、属于可擦除重写型光存储器，即可通过光热磁，将不必要的信息擦除，并改写为必要的信息，目前所用的材料主要为铽(Tb)、铁、钴等构成的非晶态合金膜。,TbFeCo磁光材料具有下列优势： （1）在近红外能长期使用

25、（2）可容易垂直磁化 （3）非晶态结构，可避免晶界等造成的再生噪音 （4）居里温度200度，与半导体激光功率可良好的对应。,下一代光磁记录材料 为提高高记录密度，采用短波长光，重点集中在在短波长区具有较大克尔旋转角的材料，主要为含有Nd及Pr的非晶态稀土(R)-Fe-Co合金膜、Bi置换磁性石榴石、Pt/Co多层膜（超晶格膜，磁性与非磁性界面效应，可以开发出新的性能和功能）,7.6 超高密度磁光存储材料,光存储技术的发展方向：从远场光存储到近场光存储；从二维光存储到多维光存储；从光热存储到光子存储。 目前：近场光存储，全息光存储，多维光存储。,目前的光盘驱动器均以包含物镜的光学头进行读或写，并

26、完成聚焦与轨迹跟踪伺服控制。由于物镜离介质较远（毫米级），故称为远场记录。 如果采用短波长激光器和超分辨技术，光盘的记录密度还会有几十倍的提高，而物镜所聚焦的光斑尺寸受到光波长的制约，进一步缩小的方法取决于波长的缩短，但是即使从红外到紫外也只是几倍的缩短，需要打破光的衍射极限的限制。,扫描隧道显微镜（STM）可以在介质中加入一个很强的电场，可以使材料微区的物理和化学性质发生变化，而实现超高密度存储。 扫描近场光学显微镜克服了光学衍射的物理极限，横向的分辨率达到了几十纳米的数量级。用此也可以实现超高密度光存储。,光学衍射的物理极限示意图,角分辨能力：=1.22/D 光学仪器的分辨率：R=D/1.22 D: 仪器的孔径， 对应的光波长。,近场光学简介,引入：光学显微镜只能看清不小于光波长的物体，对于小于半个波长的物体，光波将绕过它，视若无睹或视而不见。要看清小于半个波长的物体是不可能的。 麦克斯韦方程组原理 但是如果光源与被照明的物体的距离小于光波长时，情况就不同了。这时的光还没有形成波。 光源与被照明的物体的距离小于光波长时的光学原理称为近场光学。,近场光学现象简单示意,简单计算,人距离汽车大于多少时，会觉得两个车灯发出的光像是从一个灯发出的一样？ 两条细丝，相距为2 mm，细丝离人多远时，人的眼睛刚好能够分辨开。 设人的眼睛瞳孔直径为：3 mm