光材料PPT课件

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1、2024/7/221v信息时代v信息技术v信息材料第一章绪论1.1信息时代信息信息:是人类的一切生存活动和自然存在所传达出来的信号和消息。它一般泛指我们所说的消息、情报、指令、数据及信号等周围环境的知识。l 可传递性和共享性可传递性和共享性l 信息必须依附于载体信息必须依附于载体l 信息的可处理性信息的可处理性 l 信息的时效性信息的时效性信息的主要特征信息的主要特征2021/6/1612024/7/222农业时代工业时代信息时代人类社会时代变迁：劳动，土地密集机器、工厂为主？产生传输地位 一是信息成为最为重要的战略资源伊拉克战争非对称性 二是信息产业上升为最重要的产业微软英特尔三是信息网络成

2、为社会的基础设置WTO全球化一体化地球村全球信息量增长趋势2021/6/1622024/7/22320世纪90年代初全球互联网用户还不到9万，1999年为1.7亿，2000年为4.14亿因特网信息传输量增长率：300%每天电子邮件：14亿封2000年：全球网页21亿个2000年，与因特网相连的主机7240万台。而1993年只有131万台。全球因特网用户发展趋势全球因特网用户发展趋势亚太地区国际互联带宽发展趋势亚太地区国际互联带宽发展趋势2021/6/1632024/7/2241992年，当时的参议员、前美国副总统阿尔戈尔提出美国信息高速公路法案。1993年9月，美国政府宣布实施一项新的高科技计

3、划“国家信息基础设施”（NationalInformationInfrastructure，简称NII），旨在以因特网为雏形，兴建信息时代的高速公路“信息高速公路”，使所有的美国人方便地共享海量的信息资源。信息高速公路(InformationHighway)实质上是高速信息电子网络，它是一个能给用户随时提供大量信息，由通信网络、计算机、数据库以及日用电子产品组成的完备网络体系。开发和实施信息高速公路计划,不仅促进信息科学技术的发展,而且有助于改变人们的生活、工作和交往方式。信息技术:是指信息的获取、存储、处理、传输和显示的技术，即人们对信息的获取、处理和应用的能力。1.2信息技术信息技术 信息

4、获取技术信息处理技术信息传递技术信息存储技术信息显示技术2021/6/1642024/7/225v人类史上的五次信息技术革命语言的使用口耳相传便于信息传输和收集 文字的使用易于存储克服时间局限造纸术和印刷术的应用存储空间传播范围电报、电话、广播、电视的发明与普及应用速度容量时空界限计算机的普及应用和计算机与现代通信技术的结合v信息技术的应用信息技术的应用网上学校、现代远程教育自动取款机、可视电话、远程诊疗信息高速公路、“地球村”网上购物、信息检索、电子邮件20世纪以来，信息技术经历：电子学和微电子学技术信息的载体电子光电子学技术信息的载体电子和光子光子学技术信息的载体光子2021/6/1652

5、024/7/226材料的重要性v材料是人类进化史上的里程碑，历史学家曾用材料来划分时代。石器前10万青铜前3000铁器前1000水泥0钢1800硅1950新材料1990现代文明的三大支柱：材料、能源、信息材料又是一切技术发展的物质基础。1.3信息材料信息材料1.3.1概述概述2021/6/1662024/7/227v存储器材料的变迁大致可分为四个阶段：由1955年的存储器为水银延迟线1963年的存储器为具有方形磁滞特性的铁氧体磁心1970年涂敷的氧化铁粉（磁盘）近10年光存储技术（可擦写光盘的介质材料有磁光型和相变型两类）v光通信系统材料:低损耗光纤（光导纤维：高纯石英搀杂P、Ge等元素氟化物

6、玻璃光导纤维）、化合物半导体激光器、大屏幕显示等相关材料的研制是其发展的基础和核心。v电子工业数千亿的全球市场，90%的市场份额是硬件及其相关材料。新能源技术：如受控核聚变、太阳能利用、地热发电、磁流体发电、氢能贮存等方面的发展，很大程度上取决于新材料研制和开发。v例：太阳能是目前人类受惠最大的自然资源。但太阳能是低值能源，只能达到1KW/m2,且转换率只10-20%。要提高发电效率，必须从集热体、半导体材料方向进行突破。（太阳能电池材料中目前最有希望大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅光电池效率只达13，半导体GaAs的转换效率可达2028。采用多层复

7、合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换效率高达40）2021/6/1672024/7/228v生态环境不断恶化v资源加速枯竭v世界人口迅速增长材料是现代文明的重要支柱v科学技术进一步发展v人类生活水平进一步提高v人们早就知道了喷气航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有材料能承受喷射出燃气的高温，使这种理想只能是空中楼阁。直到1942年制成了镍基耐热合金这种新材料、才使喷气发动机的制造得以实现。如果不能制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和一切电子设备。2021/6/1682

8、024/7/229v结构材料v功能材料利用其力学性质，要求在使用条件下能承受一定的载荷。通过光、电、磁、声、热、湿、气、生物等特性而完成特定功能的材料。1.3.2 材料分类美国贝尔研究所J.A.Morton博士1965年功能材料分类材料的物质性材料的物质性材料的应用性材料的应用性材料的功能性材料的功能性2021/6/1692024/7/2210v金属功能材料形状记忆合金、贮氢合金、减振合金、超耐热合金、非晶态合金、超导合金等v无机非金属功能材料热功能陶瓷、光功能陶瓷、磁功能陶瓷、精密电子陶瓷、功能转化陶瓷、超硬陶瓷、生物功能陶瓷等v有机功能材料导电高分子材料、液晶聚合物材料、光功能高分子材料、

9、高分子分离膜、有机铁磁材料、生物高分子材料、化学功能高分子材料等v复合功能材料金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料等根据材料的物质性：2021/6/16102024/7/2211材料的应用性v信息材料v电子材料v电工材料v能源材料v航空航天材料v生物医用材料材料的功能性v电学功能材料v磁学功能材料v光学功能材料v声学功能材料v热学功能材料v生物医学功能材料2021/6/16112024/7/2212信息材料信息材料指用于信息的获取、存储、处理、传输和显示的微电子材料和光电子材料，是信息技术基础和先导。信息材料领域的每一次创新都会推动信息技术和产业向前发展。信息材料信息材料 信息获取

10、材料信息处理材料信息传输材料信息存储材料信息显示材料1.3.3信息处理技术及材料信息处理工具古代：中国简单的计算工具：算筹算盘西方：计算尺是主要的计算工具，机械式计算机穿孔卡片计算机继电器计算机1946年电子计算机的诞生。2021/6/16122024/7/2213世界上第一台电子计算机埃尼阿克（ENIAC）。1946年诞生于美国的宾夕法尼亚大学。重达30吨，占地170多平方米，全机用了18000多个电子管，5000多个继电器，10000多只电容器，7000多个电阻，功率150千瓦，运算速度每秒钟5000次。它的耗电量超过174千瓦小时，据说在使用时全镇的电灯都会变暗；而且它的电子管平均每隔1

11、5分钟就要烧坏一只。目前，以大规模集成电路为基础，以中央处理器（CPU）为核心的电子计算机技术是主要的信息处理技术。信息处理材料信息处理材料主要指用于对电信号或光信号进行检波、倍频、混频、限幅、开关、放大等信号处理的器件的一类信息材料，包括微电子信息处理材料和光电子信息处理材料。微电子信息处理即对电子电路中的信息电流、电压等信号进行接收、发射、转换、放大、调制、解调、运算、分析等处理，以获取有用的信息。光电子信息处理包括光的发射、传输、调制、转换和探测等，而光电子信息处理材料则是基于光信号的发射、传输、调制、转换和探测的一类材料。2021/6/16132024/7/22141.3.4信息传输技

12、术及材料信息传输技术及材料u移动电话u卫星通信u无线通信u 光纤通信低损耗的熔石英光纤长寿命的半导体激光器掺铒光纤放大器纤芯纤芯包层包层保护保护套套光纤和光缆的传输速率及损耗特性比较2021/6/16142024/7/2215光纤通信系统发展阶段及其主要进展光纤通信系统发展阶段及其主要进展2021/6/16152024/7/2216损耗特性与光的工作波长有关,在三个工作窗口有相对小的损耗:第一窗口光工作波长0.85m,损耗稍大第二窗口光工作波长1.31m,损耗中等第三窗口光工作波长1.55m,损耗最小1.3.5信息存储技术及材料信息存储的作用：*允许保存电子数据；*为防止数据丢失而提供备份保护

13、；*防止因丢失数据带来的费用；*允许现场或非现场文档的存储数字信息存储要求：高存储密度、高数据传输率、高存储寿命、高擦写次数、低设备投资和低价格。2021/6/16162024/7/2217存储方式存储方式内存储内存储外存储外存储CPU可以直接访问内存，提取时间短（ns），容量一般在512Mb。只读存储器只读存储器ROM（Read-OnlyMemory）随机存取存储器随机存取存储器RAM（RandomAccessMemory）一般不直接与微处理器打交道，外存中的数据应先调入内存，再由微处理器进行处理。磁存储：磁带、软磁盘、硬磁盘磁存储：磁带、软磁盘、硬磁盘光存储：光存储：CD、VCD、DVD等

14、等2021/6/16172024/7/2218硬磁盘技术的发展光盘硬磁盘磁带中等性能0.252Gb/in225Mb/s随机存取高容量低价格可移动长寿命高性能24Gb/in2150Mb/s随机存取高容量价格合理不可移动寿命较短中等性能0.81Gb/in240Mb/s序列存取高容量低价格可移动寿命较短光盘、硬盘和磁带性能比较2021/6/16182024/7/22191.3.6信息显示技术及材料信息显示技术及材料v当今世界是信息大爆炸的年代，据测算，上世纪末信息的年均增长率为20，到2020年将达到每两个半月翻一番的惊人速度。v在人们经各种感觉器官从外界获得的信息中，视觉占60，听觉占20，触觉占

15、15，味觉占3，嗅觉占2。v进入21世纪以来，显示技术作为人机联系和信息展示的窗口已应用于娱乐、工业、军事、交通、教育、航空航天、卫星遥感和医疗等各方面。在我国，显示技术及相关产业的产品占信息产业总产值的45左右。可见，显示产业已经成为电子信息工业的一大支柱产业。2021/6/16192024/7/2220传统显示技术传统显示技术阴极射线管（CRT）显示阴极射线加速后轰击荧光屏上的荧光材料Y2O2S：Eu（红色）、ZnS：Ag（蓝色）和ZnS：(Cu，Al）（绿色），发出各种彩色的光。1897年，布劳恩管发明；1953年，日本黑白电视广播开始1958年，中国黑白电视广播开始1960年，日本彩色

16、电视广播开始1973年，中国彩色电视广播开始1996年，日本推出纯平CRT彩电1999年，中国推出纯平CRT彩电平板显示技术平板显示技术等离子体显示（PDP）利用等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。液晶显示（LCD）利用外加电压或者电流，可以改变液晶分子取向，从而改变液晶分子的光学和电学性质，最终实现显示的目的。发光二极管（LED）显示利用载流子在PN结附近的复合作用而发光。有机电致发光显示（OLED）加入外加偏压后，电子空穴分别经过电子传输层与空穴传输层后，进入一具有发光特性的有机物质，在其内部发生强相互作用，形成一个激子，再将能量释放出来回到基态，发出相

17、应的光子。2021/6/16202024/7/22211.3.7信息获取技术及材料信息获取技术及材料目前，获取信息的技术主要是光电子技术，运用的器件包括探测器和传感器。光子探测器光电导型光生伏特型光磁电型探测器热探测器热释电型热敏电阻型目前，探测器由分立器件向焦平面阵列发展。2021/6/16212024/7/2222半导体探测器半导体探测器光探测器，特别是红外光探测器一般由半导体材料制成，根据探测波长不同，又分为狭能隙半导体材料和宽能隙半导体材料。半导体材料有锗(Ge)和硅(Si);化合物有硫化镉(CdS)、硫化铅(PbS)、硒化铅(PbSe)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs),还有三

18、元化合物铟镓砷(InGaAs)、碲锡铅(Pb1-xSnxTe)和碲镉汞(Hg1-xCdxTe)。几种半导体材料及其相应波段几种半导体材料及其相应波段2021/6/16222024/7/2223传感器传感器分为半导体传感器和光纤传感器两类。分为半导体传感器和光纤传感器两类。半导体传感器材料在外场（光、热、电、磁等）作用下引起半导体性能发生变化，由此获得外场的信息。传感器传感器力敏传感器热敏传感器光敏传感器磁敏传感器光纤传感器光纤传感主要基于外部世界各种物理量或化学量变化引起光纤光学参数（包括相位、偏振态、波长、幅度、模功率分布、光程等）的变化。功能性光纤传感器利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作

19、的传感器。如磁敏元件传感器磁敏元件传感器 、热敏传、热敏传感器、气敏传感器等；感器、气敏传感器等；传光型光纤传感器光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器。如反射式位移传感器、半导体吸收温度传感器反射式位移传感器、半导体吸收温度传感器、光纤多普勒速度传感器等。光纤多普勒速度传感器等。2021/6/16232024/7/2224概述半导体光学性质激光原理和激光材料光电子集成技术第二章 光电子材料基础2.1概述光电子技术从上世纪60年代激光器的发明开始，到70年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、CCD的问世，再到80年代超晶格量子阱材料和工艺的发展、掺铒光纤

20、放大器和激光器的研制成功，短短几十年得到了迅速的发展。光电子技术是由光学和电子技术相结合形成的一门高薪技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。光电子材料是指具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料，包括激光材料、光纤材料和光电显示材料等。2021/6/16242024/7/22252.2半导体光学性质半导体光学性质半导体与光的作用包括反射、吸收和透过，而吸收特性主要取决于半导体的能带结构。自由载流子吸收：毫米波和微波杂质吸收：杂质粒子的跃迁声子吸收：晶格振动引起激子吸收：激子的形成带间吸收：价带到导带的跃迁激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态半导体的激发与复合半导体的激发光吸收、

21、电流注入、电子束注入由光吸收导致的光发射现象称为光致发光由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为电致发光由电子束激发导致的光发射现象称为阴极射线发光2021/6/1625半导体的复合被激发到较高能级的半导体材料，释放能量回到低能级状态的过程直接复合与间接复合体内复合与表面复合半导体中载流子复合机制三种释放能量方式发射光子（辐射型复合）发射声子（非辐射型复合）载流子之间的能量交换2021/6/16262024/7/22271954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器 （1.25cm）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

22、红宝石激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功 （王之江，中国激光之父）1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念2.3.1激光器的产生及历史2.3激光原理和激光材料2021/6/16272024/7/22281960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器第一台红宝石激光器的拆卸图1960年12月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器氦氖激光器。 1962年，发明了半导体激光器。1965年，第一台大功率激光器二氧化碳激光器诞生。1966年，研制成了可在一定范围内连续调节波长的有机染料激光器。1967年，第一台射线激光器研制成功。2021/6/16282024/7/22

23、29我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功 我国激光技术发展历史我国激光技术发展历史 1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。 表一：我国各类激光器的“第一台”He-Ne激光器1963年7月邓锡铭等掺钕玻璃激光器1963年6月干福熹等GaAs同质结半导体激光器1963年12月王守武等脉冲Ar+激光器1964年10月万重怡等CO2分子激光器1965年9月王润文等CH3I化学激光器1966年3月邓锡铭等YAG激光器1966年7月屈乾华等2021/6/16292024/7/2230E E2 2E E1 1h h

24、2.3.2.1 2.3.2.1 2.3.2.1 自发辐射自发辐射自发辐射 受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收受激辐射和受激吸收自发辐射自发辐射 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁至低能级E1，这种跃迁称为自发辐射。自发辐射光子频率2.3.2激光的基本原理白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。2021/6/16302024/7/2231受激吸收受激吸收 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级-光吸收。低能级低能级E E1 1高能级高能级E E2 2光子光子 2021/6/1

25、6312024/7/2232受激辐射受激辐射 当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率恰好满足时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子-受激辐射。E E2 2E E1 1全同光子全同光子h h 实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位、偏振方向和发射方向。2021/6/16322024/7/2233 在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子-光放大，激光。 光放大LASER：受激辐射光放大LightAmplificationbyStimulatedE

26、missionofRadiation2021/6/16332024/7/22342.3.2.2 2.3.2.2 2.3.2.2 2.3.2.2 粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转粒子数正常分布和粒子数反转 通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多，粒子数正常分布。 玻耳兹曼统计分布： 若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比 2021/6/16342024/7/2235 数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20J0.086eV;E2-E11eV;但要产生激光必须使原子激发，且 N2 N1, 称粒子数反转。2021/6/1635202

27、4/7/2236粒子数反转：激光产生的必要条件！粒子数反转：激光产生的必要条件！如何实现如何实现？内因：粒子体系（工作物质）的内部结构外因：给工作物质施加外部作用2021/6/16362024/7/2237原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留10-3s,在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。工作物质内部结构工作物质内部结构铬离子、钕离子、氖原子、二氧化碳分子、氩离子2021/6/16372024/7/22381231234三能级系统三能级系统四能级系统四能级系统红宝石：红宝石：Cr3+YAG：Nd3+2021/6/16382024/7/2239给工

28、作物质施加外部作用由于热平衡分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处于高能级的粒子数，要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程叫做激励，或称为泵浦。固体工作物质：光泵浦，掺铬刚玉、掺钕玻璃，掺钕钇铝石榴石等气体工作物质：气体放电，如CO2、He-Ne等半导体：注入大电流泵浦，如砷化镓等其它泵浦方式：化学激励法、超音速绝热膨胀法、电子束激励法、核激励等。从能量的角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。2021/6/16392024/7/22402.3.2.3 2.3.2.3 2.3.2.3 2.3.2.3 激光的形成激光的形成

29、激光的形成激光的形成光学谐振腔 其作用是产生和维持光振荡。光在粒子数反转的工作物质中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射回来穿过工作物质，进一步得到光放大，这样不断地反射现象为光振荡。从部分透反射镜透射出的光很强，这就是输出的激光。2021/6/16402024/7/2241激光的方向性、单色性很好光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔又起选频的作用-单色性好。2021/6/16412024/7/2242根据上面的分析，产生激光有三个主要元素：（1）激活介质能经受激发射而使入射光强放大；（2）能使激活介质产生粒子数反转的泵浦装置；（3）放置激活介质

30、的谐振腔，产生和维持光振荡，从而实现光放大并实施发射频率的选择。2.3.2.4 2.3.2.4 2.3.2.4 激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件激光产生的阈值条件在谐振腔中存在很多损耗因素，如反射镜的吸收、透射和衍射等，工作物质不均匀引起的光折射和散射等。如果这些损耗抵消了光放大过程，就不能有激光输出。激光产生的阈值条件：R1和R2为谐振腔两块反射镜的发射率，a(v)为工作物质增益系数，L为两个反射镜的距离。2021/6/16422024/7/2243阈值公式表明，光在谐振腔中每经过1次往返，即经过2次反射后，光强都要改变倍。如小于1，就意味着往返一次后光强减弱，来回多次反射后，它将变得越

31、来越弱，因而不可能建立激光振荡。只有当粒子反转数达到一定数值时，光的增益系数才足够大。因此，实现光振荡并输出激光，除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外，还必须减少损耗，加快泵浦抽运速率，从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。2021/6/16432024/7/22442.3.3激光器组成工作物质(基质和激活离子)激励源(泵浦)光学谐振腔工作物质：能够借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体(晶体、玻璃)、气体(原子气体、离子气体、分子气体)、液体和半导体等。激光器利用泵浦(闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励)等激发源激发工作物质实现激

32、射。光学谐振腔：通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。2021/6/16442024/7/2245工作物质激光器最重要的部分是工作物质，包括激活离子和基质。用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：Al2O3氧化物激光晶体固体激光器材料用稀土离子（如Nd3+）氟化物激光晶体激活的四能级体系复合石榴石激光晶体激光玻璃（钕玻璃）色心激光晶体（如LiF，KCl）原子气体气体激光器材料离子气体（氩离子、氪离子）工分子气体（CO2、CO、N2分子）作准分子气体（XeF、KrF）物有机荧光染料（如罗丹明6B）质液体激光器材料稀土螯合物（如Eu(TTA)3、Eu(BTF)4）钕

33、氧氯化硒（Nd3+：SeOCl2）半导体激光器材料：可见光激光管材料（如AlGaAs）红外激光管材料（GaAs、Pb1XSnXTe）非线性光学材料（LiNbO3）激光器辅助材料窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）抗反射涂层（ZrO2、SiO2、TiO2、MgF2等）其它2021/6/16452024/7/22462.3.4激光的特性方向性单色性相干性能量高度集中+2021/6/16462024/7/2247方向性强方向性即激光束的指向性，常以光束的发散角大小来评价。它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关。气体激光器工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向性最强，发散角在10-310-4弧度

34、。其中氦氖激光束发散角最小。固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较短，光束发散角较大，在10-2弧度范围。半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非常短，光束方向性最差。单色性好单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度即线宽来描述。线宽越窄，光源的单色性越好。普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度较窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最好的氪等的谱线窄数万倍。激光的单色性是因为：（1）激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的两能级之间，只有频

35、率满足一定条件的光波才能得到放大；（2）激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足谐振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱线宽度内的光振荡才能形成激光输出。激光单色性受工作物质的种类和谐振腔性能的影响。气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值小到103Hz。固体激光单色性较差，半导体激光器单色性最差。2021/6/16472024/7/2248相干性高光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。普通光源发光都是自发辐射过程，每个发光原子都是一个独立的发光体，相互之间没有关系，光子发射杂乱无章，因此相干性很低。激光是受激辐射产生的，发射的光子具有相同的频率、位相和方向，因而相干性很高。光束的

36、单色性与相干性是一致的，气体激光的相干性优于固体激光，例如，氦氖激光的相干波长可达数百米。功率密度大对于可见光波段的激光而言，光束的高功率密度表现为亮度大。激光的亮度高是因其发光面积小，而且光束发散角也极小的缘故。例如一台输出仅1mW的氦氖激光器发出的光也比太阳表面亮度高出100倍。激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集中实现的。如果将激光发射的时间尽量缩短可以获得更高的峰值功率。用调Q或锁模技术可使激光器在毫微秒（ns）或微微秒（ps）的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，可获得兆瓦级峰值功率。采用一定的技术和装置控制激光器谐振腔的Q值按一定的程序和规律变化，从而达到改善激光器输出光脉冲

37、的功率和时间特性，获得激光巨脉冲的目的的技术调Q技术。通常的激光器，一般都呈现为多个纵模同时振荡输出。用锁模技术对激光束进行特殊的调制，使不同的振荡模间的频率差保持一定，并具有确定的相位关系，诸振荡模相干叠加，激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲。2021/6/16482024/7/22491961年提出了调Q概念，即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调Q激光器，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为10-7s量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法（如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了80年代

38、，调Q技术产生脉宽为纳秒（ns）量级，峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。它不仅大大推动了上述一些应用技术的发展而且成为科学研究的有力工具，但是调Q技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。1964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（ps，10-12s）量级，所以也称为超短脉冲技术，从60年代到70年代，超短脉冲技术（包括主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到80年代初，Fork等人又提出了碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到了90fs的光脉冲序

39、列。90年代，自锁模技术的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短脉冲序列。锁模技术能产生脉宽为飞秒（fs，10-15s）、峰值功率为太瓦（TW,1012W）以上的超短脉冲，为物理学、化学、生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段。2021/6/16492024/7/22502.3.5激光器的种类激光器的种类激光器的分类激励方式工作物质工作方式输出波长谐振腔结构工作物质：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器；工作方式：连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；激光波长：红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光

40、器、X射线激光器；激励方式：电激励激光器、光泵浦激光器、热能激励激光器、化学激光器；谐振腔结构：内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；2021/6/16502024/7/22512.3.6激光材料 气体激光器 固体激光器 液体激光器 半导体激光器2.3.6.1 2.3.6.1 2.3.6.1 气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器，是目前种类最多、波长分布区域最宽、应用最广的一类激光器，已观察到近万条激光谱线，其波长覆盖从紫外到红外的整个光谱区域，并扩展到X射线波段和毫米波波段。气体激光器具有输出光束质量高、转换效率高、

41、结构简单、造价低廉等优点。被广泛应用于工农业、国防、医学及其他科研领域等。电激励电激励光激励光激励热激励热激励化学能激励化学能激励气体放电气体激光器最主要的激励方式电子束激励气体激光器激励方式2021/6/16512024/7/2252气体放电激励在高压电场下，气体粒子发生电离而导电，在导电过程中，高速电子与气体粒子（原子、分子、离子）碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转。气体放电分为直流或交流连续放电、射频放电和脉冲放电等。光激励指用特定波段的光照射工作物质，在吸收对应波长的光能后，产生粒子数反转。光激励的气体激光器主要工作于远红外和亚毫米波段的激光器。热激励采用某种高温加热的方式使整个

42、气体工作物质体系温度升高，从而使较多的粒子处于高能级状态，然后再通过某种方式，如气体绝热膨胀方式，使热弛豫时间较短的某些较低能级上的粒子倒空，而热弛豫时间较长的某些较高能级上的粒子得以积累，从而实现粒子数反转。化学能激励利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能量来激励工作物质，建立粒子数反转而实现受激辐射。采用化学能激励的激光器称为化学激光器，其最大特点是将化学能直接转换成激光，原则上不需外加电源或光源最为激励原。2021/6/16522024/7/2253气体激光器 原子激光器，离子激光器，分子激光器，准分子激光器。原子激光器：以氦氖激光器为代表，这种激光器大都是连续工作方式，输出功率在1

43、00mW以下，多用于检测和干涉计量。离子激光器：以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射较强的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及全息学等方面。分子激光器：以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。准分子激光器：特点发光都在紫外波段。用途用于微细加工，光刻及医学。原理不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。发光后，分子很快分解成原子。2021/6/16532024/7/2254He-Ne激光器He-Ne激光

44、器是最早问世的气体激光器，主要波段在可见光区或近红外区，具有输出光束质量好、输出功率和频率稳定度高、结构简单紧凑等特点，寿命可达数万小时。气体原子激光器输出谱线：632.8nm，1.15m，3.39m，以632.8nm为最常见。功率在mW级，最大1W光束质量好，发散角可小于1mrad单色性好，带宽可小于20Hz稳定性高2021/6/16542024/7/2255Ne原子的3S2P、3S3P和2S2P能级之间获得100多条谱线，其中最强的三条谱线：632.8nm，3.39m和1.15m，分别对应于能级3S2-2P4、3S2-3P4和2S2-2P4之间的跃迁。He-Ne原子能级结构原子能级结构20

45、21/6/16552024/7/2256He-Ne激光器属典型的四能级系统，Ne原子激光上能级的激发主要有两个过程：a. 电子碰撞直接激发电子碰撞直接激发Ne（1S0）+ e Ne（3S、2S）+ eb. He-Ne能量共振转移过程能量共振转移过程He（1S0）+ e He*（21S0、23S1）+ eHe*（21S0、23S1）+ Ne（1S0） He（1S0）+ Ne*（2S2、3S2）E过程b激发Ne的速率是过程a激发速率的6080倍2021/6/16562024/7/2257He-Ne激光器结构形式和实物图激光器结构形式和实物图He-Ne激光器结构激光器结构2021/6/1657202

46、4/7/2258组成组成放电管电极光学谐振腔毛细管：放电工作增益区贮气管：增加工作气体总量采用冷阴极形式，通常为铝或者铝合金；阳极为钨针。一般采用直流放电激励。放电长度为1m激光器，起辉电压8000V，工作电流几毫安至几百毫安。由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹腔形式。输出平面镜透过率12%，凹面全反镜的反射率接近100%。2021/6/16582024/7/2259Cu原子蒸气激光器金属蒸气激光器是利用被加热的金属蒸气为工作物质的激光器，包括金属蒸气原子激光器和金属蒸气离子激光器两大类。前者包括铜、金、锰、铅和锌等。Cu原子激光器是典型的自终止跃迁激光器。自终止（自限）跃迁方

47、式通常发生于中性原子系统中，原子的第一激发共振能级具有最大的电子碰撞激发截面，选为激光上能级，而激光下能级为亚稳能级，系统在短脉冲电流激发下，形成瞬态粒子数反转，由于亚稳能级的禁戒跃迁性质，系统很快不满足激光振荡条件，跃迁自行终止，所以只能以脉冲形式运转。2021/6/16592024/7/2260Cu原子能级结构原子能级结构Cu原子有两条主要激原子有两条主要激光跃迁线：光跃迁线：510.6nm （绿）（绿） 2P3/2 2D5/2578.2nm （黄）（黄） 2P1/2 2D3/2Cu原子能级结构和激光跃迁原子能级结构和激光跃迁2021/6/16602024/7/2261CO2激光器激光器分

48、子气体激光器波长911m，最常见10.6m效率高光束质量好功率范围大（几瓦数十万瓦）运行方式多样结构多样CO2激光器是最重要、应用最广泛的激光器，其连续波输出功率达数十万瓦，脉冲输出能量达数万焦耳，脉冲功率达1012W，能量转换效率达2025%。2021/6/16612024/7/2262CO2分子是线性对称排列的三原子分子，有一条对称轴以及垂直于对称轴的对称平面。具有三种基本振动方式：对称振动（1）形变振动（2）反对称振动（3）CO2分子的振动能级可用振动量子数来表示。2021/6/16622024/7/2263CO2分子能级结构分子能级结构10.6m 0001 10009.6m 0001

49、02002021/6/16632024/7/2264CO2激光器类型激光器类型封离型纵向激励CO2激光器高功率轴快流CO2激光器高功率横流CO2激光器横向激励高气压CO2激光器波导CO2激光器CO2激光器运行方式2021/6/16642024/7/2265高功率分子激光器工作物质：准分子气体高重复率可调谐量子效率高波长短，紫外到可见区主要的准分子激光器主要的准分子激光器准分子激光器准分子激光器2021/6/16652024/7/2266准分子激光器能级结构跃迁过程： 束缚态-自由态泵浦要求： 大面积均匀放电 快速泵浦激励泵浦方式： 电子束泵浦 脉冲放电泵浦2021/6/16662024/7/2

50、267电子束激励准分子激光器结构图2021/6/16672024/7/2268Ar+激光器气体离子激光器主要波长488nm，514.5nm常见功率几十瓦，最高500W能量转换效率低气体离子激光器是以气态离子在不同激发态之间的激光跃迁工作的一种激光器，主要分惰性气体离子激光器、分子气体离子激光器和金属蒸气离子激光器。特点是输出波段遍布紫外到近红外，是目前可见光波段连续输出功率最高的激光器；阈值电流密度相当高，可达几百安培。2021/6/16682024/7/2269Ar+激光器工作原理Ar+能级的粒子数反转主要靠气体放电中电子与Ar、Ar+之间的碰撞激发过程。2021/6/16692024/7/

51、2270Ar+激光器工作特性阈值电流强度磁场对输出效率的影响：可以减少离子对放电管壁的轰击，提高输出功率和效率输出谱线：488.0nm和514.5nm波长（nm）488.0514.5476.5496.5501.7472.7阈值电流（A）4.578912142.3.6.2 2.3.6.2 2.3.6.2 固体激光器固体激光器固体激光器 固体激光器是以固体为工作物质的激光器。目前，实现激光振荡的固体工作物质达数百种，输出激光谱线达数千条，连续运转输出功率达数千瓦，脉冲激光能量达几十万焦耳，峰值功率高达拍瓦（1015W）。广泛应用于工农业、军事技术、医学、分子生物学和科学研究等。2021/6/167

52、02024/7/2271固体激光器基本结构1.激光工作物质2.泵浦源3.谐振腔4.聚光腔5.冷却与滤光2021/6/16712024/7/2272固体激光器工作物质工作物质包括激活离子和基质材料作为激活离子掺入固体基质的元素，常见的大致分为：过渡族金属离子，如Cr3+、Ni2+、Co2+三价稀土金属离子，如Nd3+、Ho3+、Er3+二价稀土金属离子，如Sm2+、Tm2+、Dy2+（镝）固体基质材料可粗略分为晶体和玻璃两大类。要求：具备清晰的荧光线、强的吸收带及相当高的量子效率，优良的光学、热学性能和机械性能。晶体质量，对光学损伤或机械损伤的抵御能力、化学稳定性等也至关重要。(1)离子大小：晶

53、体的晶格格点必须与激活离子的大小相当。在离子晶体中，离子半径之差大于15就不能直接掺入1以上的激活离子。但用稀土激活的晶体激活离子的掺入量可大于1。2021/6/16722024/7/2273(2)电性中和：掺杂剂价态如与基质阳离子不同，则要采取适当的电荷补偿技术维持高掺杂下的电性中和，否则掺杂剂的溶解度将受到限制。例如CaWO4中如只掺入稀土取代Ca2+，溶解度就受到限制，这时再加入Na+，稀土溶解度才增加。(3)抗热冲击能力：基质的某些物理性质决定该晶体对突然爆发的泵浦能的抗热冲击能力，对一些运转方式如连续运转或高功率、高重复率脉冲运转颇为关键。对于这些运转方式，利用热膨胀系数低、强度高、

54、热导率高的晶体更合适。这些性质的相对数值大体上与化合物的熔点有关，因此使用高熔点化合物更有利。 （4）光学性质：理想晶体应对泵浦波长有较强吸收，对激发波长吸收很弱。（5）纯度：生长激光晶体所用氧化物纯度为56个“9”，总杂质含量不得超过110ppm。2021/6/16732024/7/2274主要的基质晶体金属氧化物晶体：刚玉、钇铝石榴石（YAG）、铝酸钇（YAP）、钒酸钇（YVO4）、五磷酸钕（NPP）、五磷酸镧钕（NLPP）氟化物晶体：氟化钙、氟化钡、氟化钇锂、氟磷酸钙（FAP）高浓度自激活晶体：如NdP5O14中Nd3+的浓度在50可达到41021cm-3，比YAG:Nd3+最高掺杂（1

55、.2%）高30倍。这类晶体的激活成分本身就是基质的组成，故称作自激活晶体，是发展微型激光器最有应用前景的材料色心晶体：碱金属卤化物，如LiF:Nd3+、LiF:Na+ 最早的激光系统是红宝石激光器（Rubylaser），由Maiman1960年发明，并且至今仍然是一个重要的激光系统。红宝石激光器以刚玉为基质晶体，掺入0.05%wt的Cr3+作激活离子。刚玉化学式为Al2O3，-Al2O3为红宝石激光晶体，掺杂的Cr3+取代-Al2O3晶格中的Al3+离子。红宝石激光器2021/6/16742024/7/2275用氙灯的强可见光照射到红宝石晶体上，Cr3+离子的d电子从基态4A2激发到较高的激发

56、态4F1、4F2能级。这些能级上的电子通过非辐射过程很快回到稍低一些的能级2E。2E激发态能级的寿命非常长，约为510-3秒。这意味着有足够的时间可以将这种激发状况普遍化，实现粒子数反转。从能级2E回到基态就产生激光。在这一转变过程，晶体相中许多离子互相激励，便产生了强的波长为693nm的相干红光脉冲。红宝石激光器能级结构红宝石激光器能级结构2021/6/16752024/7/2276反射镜闪烁灯红宝石开关激光束红宝石激光器的构造红宝石激光器的构造红宝石激光器的主体是一根长数百厘米、直径1-2厘米的红宝石晶体棒，周围环绕着闪烁灯，还可以在两侧也装上灯，使得它从各方向都受到有效的辐照。棒的一个侧

57、端装有一个镜子，使得发出光又返回棒中。另一侧端装有Q阀。其实这是一个可旋转的镜子，既可以允许激光束从系统中射出，又可以将光束返回棒中，只是当光束强度达到最佳要求时才被发射出来。这样，由于激光束在棒中往返通过，形成了更多的激活中心，就使初始相干辐射脉冲强度变大。红宝石激光器的构造红宝石激光器的构造2021/6/16762024/7/2277红宝石激光器输出特性红宝石激光器输出特性右侧反射镜反射率约为50%时最佳：阈值较低，腔内光能密度较大，耦合效率较高，激光输出最强。2021/6/16772024/7/2278红宝石激光器工作特性Nd3+：YAG激光器掺钕钇铝石榴石晶体（Nd3+：YAG）是以无

58、色透明的钇铝石榴石晶体（化学式Y3Al5O12，记作YAG）为基质，掺入Nd3+为激活离子，Nd3+部分取代YAG中的Y3+，掺钕的重量比为0.725%，掺钕后，晶体是淡紫色。2021/6/16782024/7/2279Nd3+：YAG激光器能级结构4F3/24I9/20.914m4F3/24I11/21.06m4F3/24I13/21.35m2021/6/16792024/7/2280Nd3+：YAG激光器输出特性激光器输出特性连续工作Nd3+：YAG激光器输出特性2021/6/16802024/7/2281Nd3+：YAG激光器工作特性激光器工作特性连续工作连续工作Nd3+：YAG激光器工

59、作特性激光器工作特性2021/6/16812024/7/2282固体激光器泵浦系统固体激光工作物质中的粒子数反转分布都是由光泵激励来实现的。泵浦系统包括泵浦光源和聚光腔两大部分，泵浦光源必须具有较高的辐射功率密度和效率，并且与工作物质的吸收带相匹配。聚光腔又称泵浦腔，其作用是将泵浦光源的辐射能量传输到激光工作物质上去。泵浦光源惰性气体放电灯脉冲氙灯：Xe气气压高，短时间大电流放电连续氪弧灯：具有稳定的、显著线状光谱特性的光辐射，发光效率高（Nd3+：YAG）金属蒸气放电灯白炽灯发光二极管激光太阳能泵浦2021/6/16822024/7/2283脉冲氙灯的发射光谱图脉冲氙灯的发射光谱图连续氪弧灯

60、的发射光谱图连续氪弧灯的发射光谱图2021/6/16832024/7/2284聚光腔为将泵浦光源的辐射能量有效传输到激光工作物质上去，采用多种不同的投射系统，聚光腔大致分为侧面泵浦、端面泵浦和面泵浦三种。侧面泵浦端面泵浦2021/6/16842024/7/2285 面泵浦面泵浦优点：泵浦光均匀性好，散热效果好，热畸变较小。适用于大功率固体激光器。2021/6/16852024/7/2286固体激光器的构型固体激光器的构型典型光泵浦固体激光器的工作物质都采用圆柱形状。为改善输出激光特性和适应特殊场合要求，还有一些特殊构型，如板条状激光器、盘片状激光器和光纤激光器等。2021/6/16862024

61、/7/2287 板条状激光器板条状激光器锯齿形光路板条状激光器锯齿形光路板条状激光器锯齿形光路增加了光束的增益长度，提供了激活介质的利用率和激光器的效率，增大了激光器的输出功率。2021/6/16872024/7/2288光纤激光器光纤激光器光纤激光器原理图光纤激光器特点光纤芯径很小，光纤内易形成高的泵浦光功率密度；光纤可以做成很长，因此可获得很高的总增益；谐振腔镜可直接镀在光纤端面，可设计紧凑的激光器构型可获得相当宽的调谐范围和极好的单色性。光纤激光器类型晶体光纤激光器：红宝石单晶光纤激光器和Nd3+：YAG单晶光纤激光器；非线性光学型光纤激光器：受激拉曼散射和受激布里渊散射；稀土类掺杂光纤

62、激光器：基质：玻璃，激活离子：稀土离子塑料光纤激光器：基质：塑料光纤，激活离子：激光染料。2021/6/16882024/7/22892.3.6.3 2.3.6.3 2.3.6.3 液体激光器液体激光器液体激光器 染料激光器：有机染料溶液为工作物质 无机液体激光器：无机液体为工作物质液体可在很大的体积内做到完全均匀，从而可以提高激光辐射的能量；如果让液体在容器内循环流动，就能够改善激光器的散热特性；液体具有固定的光学性能，并且是各向同性的；工作过的液体很容易用新鲜液体进行替换，而且价格便宜；最重要的特点是激光辐射的频率在比较宽的波长范围内连续可调。染料激光器以某种有机染料溶解于一定溶剂中作为激

63、活介质的激光器波长可调谐，调谐范围宽（0.341.2m）每个脉冲激光能量可达数十焦耳，峰值功率达几百兆瓦，能量转换效率高达50%结构简单价格便宜稳定性差2021/6/16892024/7/2290染料分子的结构与激光有关的染料都含有单键和双键构成的碳原子链（共轭双键）。染料分子的荧光波长主要取决于碳原子链的长度，链长则荧光波长也长，但链过长，就会变得不稳定而容易断裂。若丹明-6G和香豆素2的分子结构式2021/6/16902024/7/2291染料分子的能级单态激发单态激发三重态染料为大分子结构，振、转动能级耦合及染料分子与溶剂分子的碰撞使能级展宽为宽的能带。2021/6/16912024/7

64、/2292染料的吸收和发射过程振动原子的距离振动原子的距离分子的振动能量分子的振动能量染料分子的激光过程是一个四能级系统，并且其发射的荧光波长较之吸收波长，有斯托克斯频移。泵浦：光激发，通常为激光激发，将染料分子激发到S1能级。激励方式：横向和纵向2021/6/16922024/7/2293激光的猝灭由于S1S0的发射能量与T1T2的吸收能量接近，所以，如果有大量染料分子积累在T1态上，发出的激光就会被T1态吸收，称这种现象为激光猝灭。消除激光猝灭方法：使溶液富含氧，T1态能量通过氧迅速释放返回基态S0。染料激光器的调谐发展染料激光器的主要目的就是要实现激光波长的调谐。波长能在几十纳米范围连续

65、可调，这是染料激光的特点或优点。调谐方法: 光栅衍射法或色散频谱上狭缝移动法。染料波长范围/nm对三联苯322365四甲基伞形酮47391567香豆素47440506香豆素48447569若丹明6G540640若丹明B580655过氯酸盐644709尼尔兰692783花青22760812常用染料的波长范围2021/6/16932024/7/2294无机液体激光器无机液体激光器产生激光的机理类似于玻璃激光器，在掺钕的无机液体激光器中，激活离子也是Nd3+，不同之处是其基质是无机液体，因此，它的激光性能与钕玻璃激光器基本一致。 Nd3+:POCl3+SnCl4+P2O3Cl4无机液体激光器 发光效

66、率达2%，流动性好，毒性和腐蚀性较小 Nd3+：SeOCl3+SnCl4无机液体激光器 阈值低，能量转换效率高，但毒性和腐蚀性较大，粘度高，流动性差2021/6/16942024/7/2295无机液体激光器结构及特性无机液体激光器的结构无机液体激光器的结构优点：易于获得大功率大能量输出；掺钕浓度高；易制备体积大、光学质量高的工作物质；制作简单，成本低。缺点：热膨胀系数大，因此不能高频率工作，具有毒性和腐蚀性。2021/6/16952024/7/22962.3.6.4 2.3.6.4 2.3.6.4 半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器是指以半导体材料为工作物质的一类激光器。主要特点

67、：超小型、重量轻，激活面积约为0.50.5mm2；效率高、微分量子效率大于50%，能量转换效率大于30%；发射激光波长范围宽，通常谱宽在0.530m之间；使用寿命长，可达百万小时以上；准连续输出功率达300W，脉冲输出功率达1000W以上。2021/6/16962024/7/2297固体能带理论固体能带理论固体中由于大量原子紧密结合，使得单原子的能级分裂为宽的能带，能带由相距很小的精细能级组成。电子在能带中的分布形式决定了固体材料的导电性能，由此分为导体、半导体和绝缘体三种。1、禁带宽度指导带底与价带顶之间的能量差，通常用符号Eg表示。2、费米能级指绝对零度时全满电子态与全空电子态的能量分界面

68、。或绝对零度时电子占据的最高能态的能量，用符号EF表示。半导体费米能级：本征（纯）半导体的费密能级位于禁带中心 2021/6/16972024/7/2298p-n结的形成半导体掺杂：用本征半导体中所不具有的一种元素部分替换本征半导体晶格中某一种原子。杂质：被掺入本征半导体的元素称为杂质。P型掺杂：用低价元素掺杂本征半导体。N型掺杂：用高价元素掺杂本征半导体。P型半导体型半导体：P掺杂形成的半导体。以空穴导电，费米能级降低掺杂形成的半导体。以空穴导电，费米能级降低N型半导体型半导体：N掺杂形成的半导体。以电子导电，费米能级升高掺杂形成的半导体。以电子导电，费米能级升高 p-n结的形成由于N型半导

69、体中有富裕的自由电子，而P型半导体中有富裕的自由的空穴，所以当P型和N型半导体接触时，P型半导体中的空穴就会向N型中扩散，而N型半导体中的电子向P型中扩散，结果是P型端带负电，而N型端带正电。因而会形成内建电场，内建电场的方向从N型端指向P型端，从而又阻止电子和空穴的扩散。最后，依靠电子和空穴浓度梯度的扩散和内建电场的电作用达到平衡，在接触面附近形成一个耗尽层，即p-n结。2021/6/16982024/7/2299载流子的迁移和复合载流子的迁移和复合载流子的迁移无外加电场，作完全无规则运动有外加电场，在电场作用下的定向运动载流子的复合直接复合与间接复合体内复合与表面复合半导体中载流子复合机制

70、三种释放能量方式发射光子发射声子载流子之间的能量交换2021/6/16992024/7/22100半导体激光器中粒子数反转半导体激光器中粒子数反转 重掺杂重掺杂接触前重掺杂能级图PEFpNEFnPN接触后平衡态重掺杂p-n结能带图EcEvEF由于费米能级随掺杂浓度而变化，所以使用重掺杂使P型半导体的费米能级进入价带，而使N型半导体的费米能级进入导带，这样在p-n结耗尽层中就形成等价的四能级结构。2021/6/161002024/7/22101EcEvEFpEFnp+n+V+V-当重掺杂半导体，给p-n结施加足够的正向偏置电压后，满足eVEg，在结区导带上的电子与价带上的空穴复合，发射激光。20

71、21/6/161012024/7/22102电注入式半导体激光器：一般是由GaAs（砷化镓）、InAs（砷化铟）、InSb（锑化铟）等材料制成的半导体面结型二极管，沿正向偏压注入电流进行激励，在结平面区域产生受激发射。光泵式半导体激光器：一般用N型或P型半导体单晶（如GaAs、InAs、InSb等）做工作物质，以其他激光器发出的激光作光泵激励。高能电子束激励式半导体激光器：一般也是用N型或者P型半导体单晶（如PbS、CdS等）做工作物质，通过由外部注入高能电子束进行激励。在半导体激光器件中，目前性能较好，应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器。半导体激光器的激励方式2021/

72、6/161022024/7/22103半导体激光器的结构和谐振腔半导体激光器的谐振腔直接利用垂直于PN结平面的半导体两个严格相互平行的解理面（110面）组成谐振腔。反射率通常在30-50%，所以损耗较大，但半导体的转换效率很高，达50-80%，所以足以维持足够的增益。此外，通过镀二氧化硅膜，还可提高端面的反射率，获得更高的增益。（一）、同质结半导体激光器同质半导体激光器以GaAs激光器为代表，通过掺入不同比例的Al形成三元化合物AlxGa1-xAs改变禁带宽度，可获得不同波长的输出。缺点：阈值电流正比于温度的立方，所以只能在低温（液氮）下连续工作，室温下只能脉冲工作，寿命较短。常见半导体激光器

73、2021/6/161032024/7/22104（二）、单异质结半导体激光器（二）、单异质结半导体激光器由不同半导体材料组成的p-n结称为异质结。异质结又分为同型异质结（p+-p,n+-n）和异型异质结(p-n)。1、异质p-n结的形成异质p-n结的形成过程与同质p-n结的形成类似，仍然涉及电子、空穴的扩散和内建电场的反作用，最后两种作用达到平衡，形成稳定的电子、空穴分布。接触前异质能级图接触前异质能级图接触后平衡态异质接触后平衡态异质p-n结能带图结能带图EFPEcEvNPEFpEvpEcpNEFnEcnEvnEcEV2021/6/161042024/7/22105施加正偏置电压后非平衡态异

74、质p+-n结能带图。EcEvEFnP+NV+V-EFp2、正偏置异质、正偏置异质p+-n结的粒子反转与增益结的粒子反转与增益2021/6/161052024/7/221063、单异质、单异质p-n结激光器结激光器实际的单异质p-n结激光器做成三层结构，即p+-p(n)-n或p-p(n)-n+型。要求中间层的折射率最大，形成波导结构，使激光发射约束在中间层中，提高激光转换效率。中间层厚度较薄，提高激光发射效率。常见的单异质p-n结激光器为GaAs-GaAs-AlxGa1-xAs或AlyGa1-yAs-AlyGa1-yAs-AlxGa1-xAs结构，掺杂形成p+-p-n(p-p(n)-n+)型单异

75、质结激光器，其能带结构类似p+-n型的能带图，除了耗尽层厚度大一点外。谐振腔两端面与结平面垂直，激光在中间层中振荡、发射。单异质结激光器比同质结激光器具有更高的效率，低的阈值电流。2021/6/161062024/7/22107（三）、双异质（三）、双异质p-n结激光器结激光器双异质结激光器仍为电注入结区，由电子和空穴复合而产生。由于结区是由不同的半导体材料结合而成，使得电子和空穴不再往深处扩散，而在结的交界面反射（因折射率的差异）。于是电子积蓄在狭窄区域内，使电子浓度增高，减小扩散吸收损耗，从而提高了光的增益，降低了阈值电流，有利于实现室温下连续运转。 多层结构双异质结构示意图 2021/6

76、/161072024/7/22108（四）、量子阱激光器同质结激活区厚度为1m阈值电流大于30000A/cm2异质结激活区厚度为0.10.4m单异质结约为8000A/cm2； 双异质结约为1600A/cm2当双异质结厚度进一步减小到110nm时，激活区宽度已经与电子的量子波长相当甚至更小，激活区内电子的运动受到强烈约束，导致电子和空穴在导带底和价带顶的能量出现不连续分布，这种陷阱称为量子阱。用量子阱结构制成的半导体激光器称为量子阱激光器。优点：阈值电流更低（200A/cm2），谱线宽度窄，调制速率高，光束质量好（五）、分布反馈（DFB）激光器一种侧壁被做成周期性光栅波导结构的半导体激光器。根据

77、周期性波导的耦合原理，只要光栅周期是波导中1/2光波长的整数倍，该周期性光栅就会使导波光反馈。因此不需要解理端面来实现光反馈。优点：阈值电流密度小，频率特性好，可获得单模单频输出，有利于制造集成光路。2021/6/161082024/7/221092.3.7激光材料制取方法2.3.7.1激光晶体制取方法激光晶体制取方法2.3.7.2半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法2.3.7.1激光晶体制取方法A焰熔法(维尔纳叶法)氢氧燃烧产生的高温使料粉通过火焰加热熔融，熔滴落在籽晶上，使籽晶杆下降进入炉子的较冷部分随即结晶。该法设备简单、不用坩埚，适于生长熔点大于1800(可达2500)的晶

78、体如红宝石、钇铝石榴石(Y3A15O12)和Y2O3等基质晶体，缺点是晶体内应力大、位错密度高及存在化学不均匀性。B直拉法适于生长共熔化合物单晶，易自动化，能生长非常大的完美单晶，如CaWO4、CaMoO4、红宝石、碱土金属卤化物及石榴石晶体等。近年来出现的钆钪镓石榴石Gd3Sc2Ga3O12(简称GSGG)就是用直拉法生长的。采用铱坩埚在含l3O2的氮气氛中生长(感应加热)，已生长出直径130mm、长100mm的晶坨，晶体尺寸大、质量高、适于制造高平均输出(1KW)的板条激光器（规格l1020cm3)，在金属加工方面可与CO2激光器竞争。2021/6/161092024/7/22110作为可

79、买到的商品NdYAG一般都采用直拉法生长，已制出最大直径约10mm、长达150mm的激光棒。还制出直径75mm的非掺YAG晶锭。由于生长时间慢(0.5mm/h)，生长1015cm长的晶棒，耗时数周，造成高的生产成本。目前正在研制400一1000W的NdYAG板条激光器。此外，钕含量比YAG高6倍的Nd：LMAO(Nd：La1XMgAl11O19)也是用直拉法生长的。这种晶体解决了钕含量低使输出功率受限制的问题，已实现高功率输出，近年内可望制成千瓦级小型固体激光器，其激射波长为1054m。C热交换器(HEM)法该法将籽晶置于坩埚底部的中心位置，熔料装到籽晶的上方、坩埚位于热交换器的上部，用石墨电

80、阻炉生长激光晶体。对于给定的物料，炉温决定液体内的温度梯度，热交换器的温度决定固体内的温度梯度。固液界面因浸没在熔体表面以下，不受机械和温度扰动的影响，故可实现均匀生长，最大限度地降低生长条纹，获得均匀的掺杂分布。该法适于生长Cr：A12O3(红宝石)、Nd：YAG、Co：MgF2和Ti：A12O3(蓝宝石)，能获得大尺寸优质晶体，如65mm的Co：MgF2晶体和320mm、重50Kg的蓝宝石晶体。2021/6/161102024/7/22111 半导体激光器主要用于光学器件、激光唱盘、激光印刷机和光纤通信等领域。目前研制的半导体激光材料体系，短波长(0.71.0m)材料以(Ga,Al)AsG

81、aAs为主；长波长(1.101.6m)材料以(In,Ga)(As,P)InP为主。因此GaAs，InP衬底材料及(Ga,Al)As，(In,Ga)(As,P)外延膜质量至关重要。2.3.7.2 半导体激光材料的制取方法半导体激光材料的制取方法衬底用GaAs单晶的生长，目前用高压液体覆盖直拉(LEC)法已获得125mm的高纯单晶。在生长过程中，通过采取理想的热环境，尽可能使固液界面保持低的温度梯度，保持表面凹向熔体以及进行等电子掺杂等措施，显著降低了位错密度。用水平布里支曼(HB)法已获得宽80mm、长100mm的GaAs晶体，位错密度比LEC晶体低，更适合作衬底材料。生长InP远比GaAs困难

82、，通常用LEC法生长，已能生长直径达75mm、重1.2kg的无孪生InP单晶。2021/6/161112024/7/22112外延膜的生长除常用的液相外延外，分子束外延(MBE)和金属有机化学气相沉积(MOCVD)等新的薄膜生长方法发展很快。目前生长GaAs和(Ga,Al)As量子阱结构(0.60.8m)以用MBE和MOCVD为宜，对波长1.21.6m的(In,Ga)(As,P)/InP体系，以用氢化物输运气相外延为宜。分子束外延是一种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气，经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度的单晶

83、基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术的优点是：使用的衬底温度低，膜层生长速率慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的变化而迅速调整。 外延生长法外延生长法2021/6/161122024/7/221132.3.8激光应用在工业制造中可进行精确的切削、钻孔和表面改性做精密的医疗手术作用于微型靶实现激光核聚变。（1）激光可在很小的区域上聚焦很高的功率密度：激光打孔激光切割（2）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；激光为信息技术开拓了丰富的频率资源；布满全球的光纤网，加上卫星通信网，形成了信息高速公路的

84、基础；光存储、激光全息、激光照排、打印及条码扫描技术等，提供了全新的多样化的信息服务。全息照相2021/6/161132024/7/22114激光瞄准、制导、测距激光雷达激光引信激光致盲传感器高能强激光武器（3）激光技术开辟了崭新的军事应用：低能激光武器：激光手枪激光枪激光致盲器高能激光武器（4）激光光盘l存储密度大l保存时间长l信息处理方便2021/6/161142024/7/22115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。u连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；u超短脉冲：纳秒皮秒飞秒阿秒脉冲功率密度则可

85、高达1020瓦/cm2以上。2.3.9激光发展新特点p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，分立的激光谱线达几千条；2021/6/161152024/7/221162.4光电子集成技术早在上世纪70年代初，以A.Yariv和K.Hayashi为代表的一批科学家就提出一个诱人的发展方向光电子集成（optoelectronicintegratedcircuit，OEIC）。他们受到微电子集成辉煌成就的鼓舞，企望把光电子与微电子器件集成在一片基片上，从而获得在信息工程系统上的深远应用。光电器件和电子器件已经到了很高的发展水平。然而，它们之间的连接和耦合还有

86、很多的问题需要解决，包括兼容性、瓶颈效应和耦合损耗等。1978年，美国第一次成功研制出世界上第一个OEIC器件。80年代中期实现了PIC（PhotonicIC）。尽管国内外目前大力发展OEIC和PIC研究，但光电子集成技术仍处于实验室研发阶段，还有很长的路要走。2021/6/161162024/7/22117OEIC器件可分为光电子集成（OEIC）器件和光子集成（PIC）器件OEIC利用光电子技术和微电子技术将光子器件和电子元件单片集成在同一衬底上的单片光电子集成电路器件，主要由LD、发光二极管（LED）、光电二极管（PD）、调制器等光电子有源器件和光波导、耦合器、分裂器、光栅等无源器件，以及

87、各种场效应晶体管（FET）、异质结双极晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）驱动电路、放大器等电子元件构成，其集成方式可以是上述光电器件的部分组合或全部组合。PIC将传统的一系列分立光学器件如棱镜、透镜、光栅、光耦合器等平面化、微型化后形成的一种集成化的光学系统。集成光路简单实例2021/6/161172024/7/221181.传感器与传感材料传感器与传感材料定义：定义：传感器传感器是能够感受是能够感受规定的被测量规定的被测量并按一定规律并按一定规律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置。的器件或装置。第三章第三章信息传感材料信息传感材料2021/6/161182024/

88、7/221192021/6/161192024/7/22120信息传感材料指用于信息传感器和探测器的一类对外界信息敏感的材料，在外界信息如力学、热学、磁学、电学、化学和生物信息的影响下，这类材料的物理性质或化学性质会发生相应的变化。力敏传感材料热敏传感材料光敏传感材料磁敏传感材料气敏传感材料湿敏传感材料光纤传感材料生物传感材料2.力敏传感材料力敏传感材料指在外力作用下，电学性质会发生明显变化的材料，分为应变电阻材料、压阻材料和压电材料。力敏传感器主要用于测量力、加速度、扭矩、压力、流量等物理量。2.1电阻应变材料电阻-应变效应是指金属导体的电阻在导体受力产生变形（伸长或缩短）时发生变化的物理现

89、象。当金属电阻丝受到轴向拉力时，其长度增加而横截面变小，引起电阻增加。反之，当它受到轴向压力时则导致电阻减小。电阻应变式传感器就是利用金属电阻应变片的电阻应变效应实现应力（应变）的传感的，金属应变片电阻值变化正比于应力大小。常用的金属应变片由金属丝式、箔式、薄膜式等。2021/6/161202024/7/221212341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种

90、规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅长栅宽栅宽2021/6/161212024/7/22122对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。（2）基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位

91、置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。2021/6/161222024/7/22123（4）粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸

92、盐、硅酸、硼酸盐等。金属电阻应变片材料栅长度一般为0.2100毫米，直径0.0150.05毫米的金属丝，厚度0.0020.005毫米的金属箔。电阻为601000欧（最常用的为120欧），测量范围为几微应变至数万微应变（，1微应变=10-6毫米毫米）铜镍合金（康铜）：灵敏系数稳定性、耐辐射性能好，低温性能较差。镍铬系合金：电阻率和抗氧化能力高、工作温度较宽。铁铬铝合金：抗氧化、耐高温性能最好镍铬铁合金：电阻温度系数小、电阻率高铂和铂合金：抗氧化、耐高温性能最好前三种最常用。这些合金的灵敏系数为26金属应变片的电阻变化率和引起此电阻变化的构件表面在应变计轴线方向的应变之比，称为电阻应变计的灵敏系数

93、K。2021/6/161232024/7/221242.2半导体压阻材料压阻效应指当半导体受到机械力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象。它是C.S史密斯在1954年对硅和锗的电阻率与应力变化特性测试中发现的。压阻系数被定义为单位应力作用下电阻率的相对变化机械力作用晶格间距变化禁带宽度变化载流子相对能量改变电阻率变化优点：优点：灵敏度与精度高；易于小型化和集成化；结构简单、工作可靠，在几十万次疲劳试验后，性能保持不变；动态特性好，其响应频率为103105Hz。用来制成各种压力、应力、应变、速度、加速度传感器2021/6/161242024/7/22125PN结压阻效应及其应

94、用电路结压阻效应及其应用电路半导体压阻材料主要采用单晶硅材料。为了调节力敏元件的压阻系数，电阻值和温度特性，还要掺杂硼、磷等杂质。半导体PN结受压力后也会呈现压阻效应，从而改变结间电路。2021/6/161252024/7/221262.3压电材料压电材料压电效应某些电介质，在一定方向上受到外力作用而变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面上会产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。具有压电效应的电介物质称为压电材料顺压电效应：机械能电能逆压电效应：电能机械能压电材料压电晶体：石英晶体、酒石酸钾钠、电气石、磷酸铵、硫酸锂性能稳定、不需极化处理、无热释电效应压电陶瓷：人工极化处理的钛

95、酸钡、锆钛酸钡压电常数大、灵敏度高、工艺成熟、价格低廉压电半导体：ZnS、ZnO、CdS、CdTe等压电高分子材料：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯、聚氯乙烯2021/6/161262024/7/22127石英晶体压电效应示意图石英晶体压电效应示意图将一个结构单元中构成石英晶体的硅离子和氧离子的排列在垂直于晶体Z轴的平面内投影，可得到等效于下图的正六边形排列。图中代表Si4+,代表2O2-2021/6/161272024/7/221283.热敏传感材料热敏传感材料热敏传感材料：对温度变化具有灵敏响应的材料。接触式测温非接触式测温热膨胀式热电势式热电阻式PN结型集成电路型热释电式光学高温传感器热辐射式温度

96、传感器通过测温元件与被测物体的接触而感知物体的温度通过接收被测物体发出的辐射来得知物体的温度优点：技术成熟传感器种类多测量系统简单精度较高优点：不受测温元件耐热程度限制测温速度快可测运动物体温度2021/6/161282024/7/221293.1 3.1 双金属温度计双金属温度计 （热膨胀式）（热膨胀式） 把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆2021/6/161292024/7/221303.2 3.2 热电势式温度计热电势式温度计( (热电偶热电偶) ) 热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭

97、合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。 热电势、热电偶、热电极热端（测量端或工作端）、冷端（参考端或自由端）2021/6/161302024/7/22131接触电动势接触电动势的数值取决于两种不同导体的材料特性和接触点的温度。两接点的接触电动势eAB(T)和eAB（T0）可表示为含义：由于两种不同导体的自由电子密度不同而在接触处形成的电动势。k玻耳兹曼常数，q0电子电荷量，T接触处的温度NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。2021/6/161312024/7/22132同一导体的两端因其温度不同而产生的一种电动势。大小表示：大小表示：温差电动

98、势机机理理：高温端的电子能量要比低温端的电子能量大，从高温端跑到低温端的电子数比从低温端跑到高温端的要多，结果高温端因失去电子而带正电，低温端因获得多余的电子而带负电，在导体两端便形成温差电动势。2021/6/161322024/7/22133热电偶回路中产生的总热电势eAB(T, T0)=eAB(T)eB(T,T0)eAB(T0)eA(T,T0)忽略温差电动势，热电偶的热电势可表示为：讨论：讨论：影响因素取决于材料和接点温度，与形状、尺寸等无关两热电极相同时，总电动势为0两接点温度相同时，总电动势为0对于已选定的热电偶，当参考端温度T0恒定时，eAB(T0)=c为常数，则总的热电动势就只与温

99、度T成单值函数关系，即可见：只要测出eAB（T,T0）的大小，就能得到被测温度T，这就是利用热电偶测温的原理。2021/6/161332024/7/22134热电偶测温基本定律热电偶测温基本定律1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。TT02)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V2021/6/161342024/7/221353)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动

100、势可用下式求得：ABTT0=ACTT0CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。2021/6/161352024/7/221363.3 3.3 热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器热电阻式温度传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。 热电阻（金属测温电阻）、半导体热敏电阻。 热电阻广泛用来测量200850范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。对用于制造热电阻材料的要求：对用于制造热电阻材料的要求：具有尽可能大和稳定的电阻温

101、度系数和电阻率R-t关系最好成线性物理化学性能稳定复现性好等。目前最常用的热电阻金属是铂、铜和镍。例子：热端为100，冷端为0时，镍铬合金与纯铂组成的热电偶的热电动势为2.95mV，而考铜与纯铂组成的热电偶的热电动势为4.0mV，则镍铬和考铜组成的热电偶所产生的热电动势应为：2.95(4.0)=6.95(mV)2021/6/161362024/7/22137项目PtNiCu使用温度/-200600-100300-50150电阻丝直径/mm0.030.070.050.1电阻率/(mm2/m）0.09810.1060.1180.1380.0170100电阻温度系数/(10-3/)3.923.986

102、.216.344.254.28主要金属测温电阻器的性能半导体热敏电阻半导体热敏电阻是利用半导体的电阻值随温度显著变化这一特性制成的一种热敏元件。RT2021/6/161372024/7/22138热敏电阻的电阻温度特性大多数：负温度系数。热敏电阻在不同值时的电阻温度特性，温度越高，阻值越小，且有明显的非线性。NTC（负电阻温度系数）热敏电阻具有很高的负电阻温度系数，特别适用于：100300之间测温。PTC（正电阻温度系数）热敏电阻的阻值随温度升高而增大，且有斜率最大的区域，当温度超过某一数值时，其电阻值朝正的方向快速变化。CTR（临界温度热敏电阻）也具有负温度系数，但在某个温度范围内电阻值急剧

103、下降，曲线斜率在此区段特别陡，灵敏度极高。主要用作温度开关。线性热敏电阻2021/6/161382024/7/22139半导体热敏电阻材料半导体热敏电阻材料PTC材料BaTiO3基热敏材料：用于家用电器的温度传感器、限流器等。V2O3基热敏材料：常温电阻率极小，用于大电流领域的过流保护。NTC材料低温：AB2O4尖晶石型氧化物半导体陶瓷常温：AB2O4尖晶石型的含锰氧化物高温：AO2萤石型、AB2O4尖晶石型、ABO3钙钛矿型和刚玉型。CTR材料：指在一定温度发生半导体-金属间相变从而呈现负电阻突变特性的一类材料。以VO2为基的半导体材料，广泛应用于火灾报警和温度的报警、控制和测量场合。线性热

104、敏电阻材料：指CdO-Sb2O3-WO3系列呈线性电阻温度特性的陶瓷。2021/6/161392024/7/221403.4 3.4 热释电式传感器热释电式传感器热释电效应 当一些晶体受热时，在晶体两端会产生数量相等而符号相反的电荷，从而产生电极化的现象。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化。具有热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料：单晶：LiTaO3、LiNbO3、铌酸锶钡（SBN）压电陶瓷：PZT（锆钛酸铅）、PLZT（锆钛酸铅镧）高分子

105、薄膜：聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯2021/6/161402024/7/22141热释电材料居里温度/介电常数热释电系数/10-8C/(cm2K)TGS晶体49354.0LaTaO3单晶61843541.82.3PZT陶瓷20027038018001.82.0LiNbO3陶瓷1200300.40.5PbTiO34702006.0SBN单晶1153806.5PVDF有机高分子1201.10.24常用热释电材料性能常用热释电材料性能TGS（硫酸三甘肽）：居里温度低，可溶于水；PbTiO3和LiTaO3：具有较高实用价值。PZT：锆钛酸铅SBN：铌酸锶钡PVDF：聚偏二氟乙烯2021/6/16141202

106、4/7/22142光敏传感器通常是指对紫外光到红外光敏感，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。 外光电效应：在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。向外发射的电子称为光电子。如光电管、光电倍增管等4.光敏传感材料光敏传感材料内光电效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。内光电效应又分光电导效应和光生伏特效应在入射光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料电导率变化的现象，称为光电导效应。2021/6

107、/161422024/7/22143光生伏特效应是利用半导体PN结在光的照射下产生光电动势的现象。当大于禁带宽度的光子照射到PN结后，电子会被激发并在内建电场作用下形成光电动势。本征光电导：由带间吸收形成的载流子产生的电导非本征光电导：由束缚在杂质能级上的电子和空穴被激发后形成自由载流子而产生的电导半导体光电探测器材料根据半导体知识,价带中的电子吸收光子能量后,越过禁带进入导带,才会产生导电作用。这就决定了半导体红外探测仪响应辐射的临界波长c:c=1.24/Eg(m)其中Eg为禁带宽度(电子伏特)。半导体材料的禁带宽度决定了它所制成的探测器的响应波长范围。因此大多数的半导体红外探测仪对光的吸收

108、是有选择性的;常工作于低温,因此需要制冷。响应时间比其他探测仪要快的多。2021/6/161432024/7/22144半导体光电探测器材料按使用波长分为宽禁带紫外光电探测器材料SiC：禁带宽度高、电子饱和漂移速度高、击穿场强、较高的热导率和化学稳定性。但禁带宽度不可调。金刚石：禁带宽度5.5eV，截止波长225nm，理想的中紫外和远紫外光电探测器材料。但制备难度大、不易掺杂。GaN：禁带宽度3.4eV，截止波长365nm。可通过外延生长形成AlGaN和InGaN三元合金，调节禁带宽度和截止波长，适于中紫外波段（200300nm）此外，还有AlN、InN及其合金，ZnO、ZnS、ZnSe、Cd

109、Se、MnO等2021/6/161442024/7/22145短波红外光电探测器材料用于光通信（1.31.65m）：Ge、InGaAs、InAs等。用于环保测量和医疗（23m）：InAsPSb、InGaAsSb、AlGaAsSb。中波红外（35m）InSb（锑化铟）、PtSi、HgCdTe（碲镉汞）长波红外（814m）材料HgCdTe（碲镉汞）、VO2、IrSi（硅化铱）化合物本征型光电导探测器,它是由HgTe和CdTe两种材料混在一起的固溶体,其禁带宽度随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为814m,工作温度77k，用液氮致冷。2021/6/161452024/7/22146光电管当阴

110、极受到适当波长的光线照射时便发射光电子，电子被正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。光电探测器件光电探测器件发光材料：CsSb（铯锑）AsOCsAgBiOCs2021/6/161462024/7/22147真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是在玻璃管内充以少量的惰性气体。优点：灵敏度高缺点：光电流与入射光强度不成比例、稳定性差、惰性大、受温度影响大，容易老化2021/6/161472024/7/22148在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电

111、流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极1214级光电倍增管光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Cs-Sb或Ag-Mg等次级发射材料，并且电位逐级升高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射系数=二次发射电子数入射电子数若倍增极有n，则倍增率为n光电倍增管的工作原理2021/6/161482024/7/22149光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管）当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加常用的光电材料包括Ge、Si、CdS、CdSe和PbS等。其中：CdS和CdSe可任意比例烧结，峰值波长在520720nm连续变

112、化PbS光谱响应范围在13m，适于近红外波段。2021/6/161492024/7/22150光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。光电池光电池直接将光能转换为电能的光电器件光电池包括硅光电池、硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池、锗光电池、砷化镓光电池等。当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件2021/6/161502024/7/22151硅光电池结构示意图硒光电池结

113、构示意图P区带正电，N区带负电光谱范围：4501100nm硒材料带正电，镉材料带负电光谱范围：340750nm是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。光敏二极管光敏二极管结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，PN结装在管顶。在电路中一般是处于反向工作状态的。光敏材料为Si和CdS等。光敏二极管2021/6/161512024/7/22152与一般三极管很相似，具有两个pn结。基极不接引线。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。光敏材料为Si。光敏三极管光敏三极管光敏三极管及其工作电路+2021/6/161522024/7/22

114、153PIN结光电二极管结光电二极管PIN结光电二极管就是在P区和N区之间加上一层很厚的高电阻率的本征层（I层）的光电二极管，同时P层做的很薄。本征层的电阻很高，反偏电场主要集中在这一区域。高电阻使暗电流明显减少，在这里产生的光生电子-空穴对将立即被电场分离。2021/6/161532024/7/22154PIN的工作原理示意图P+W光IN+能量I层为高阻层，工作状态下承受绝大部分的外加电压，使耗尽层增厚，从而展宽光电转换的有效工作区，提高器件灵敏度；I层的存在提高了器件的击穿电压，可选用低电阻率的基体材料，减小了器件的串联电阻和时间常数，减小了漂移时间，提高了器件的响应速度。2021/6/1

115、61542024/7/22155PIN光电检测器的一般性能Si-PINInGaAs-PIN波长响应0.41.0116响应度0.4(0.85m)0.5（1.31m）暗电流0.1125响应时间2100.21结电容0.5112工作电压/V515515响应度是光生电流和入射光功率的比值2021/6/161552024/7/22156雪崩光电二极管雪崩光电二极管 avalanche photo diode，APDAPD在PN结的P型区外侧增加一层掺杂浓度极高的增加一层掺杂浓度极高的P+层层。当在其上施加高反偏压时，以P层为中心的两侧产生极强的内部加速场（可达105V/cm）。在高电场作用下，光照产生的电

116、子会高速通过P层，并在P区产生碰撞电离，形成大量新生电子空穴对。这些新生的电子空穴对在高电场的作用下加速，再次激发新生电子空穴对。当所加反向偏压足够大时，不断产生二次电子发射，形成“雪崩”样的载流子，构成强大的电流。因此，APD的响应时间极短、灵敏度很高。2021/6/161562024/7/22157APD光电检测器的一般性能Si-APDInGaAs-APD波长响应0.41.01165响应度0.50.50.7暗电流0.111020响应时间0.20.50.10.3结电容120.5工作电压501004060倍增因子301002030附加噪声指数0.30.50.50.7倍增因子g定义为APD输出光

117、电流Io和一次光生电流IP的比值2021/6/161572024/7/22158固体摄像器件固体摄像器件固体摄像器件的功能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息（可见光、红外辐射等），转换为按时序串行输出的电信号视频信号。其视频信号能再现入射的光辐射图像。固体摄像器件主要有三大类：电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice，即CCD）互补金属氧化物半导体图像传感器（即CMOS）电荷注入器件（ChargeInjenctionDevice，即CID）目前，前两种用得较多，我们这里只分析CCD一种。2021/6/161582024/7/22159电荷耦合摄像器件电荷耦合摄像器件电荷耦

118、合器件（CCD）特点以电荷作为信号。CCD的基本功能电荷存储和电荷转移。CCD工作过程信号电荷的产生、存储、传输和检测的过程。CCD的基本结构包括：信号输入结构、转移电极结构、转移沟道结构、信号输出结构、信号检测结构。构成CCD的基本单元是MOS电容。CCD的MOS结构2021/6/161592024/7/22160一系列彼此非常接近的MOS电容用同一半导体衬底制成，衬底可以是P型或N型材料，上面生长均匀、连续的氧化层，在氧化层表面排列互相绝缘而且距离极小的金属化电极（栅极）。2021/6/161602024/7/22161（1 1）、电荷产生）、电荷产生当光线照射到CCD表面的MOS结构单元

119、时，光子穿过透明电极和氧化层，进入P型硅衬底，在衬底中形成电子空穴对。在外场作用下，电子和空穴分别向电极两端移动，多数载流子被栅极电压排开，少数载流子被收集在势阱中形成信号电荷。2021/6/161612024/7/22162（2 2）、电荷存储）、电荷存储 以衬底为P型硅构成的MOS电容为例。当在金属电极加上一个正阶梯电压时，在Si-SiO2界面处的电势发生变化，附近的P型硅中的多数载流子-空穴被排斥，形成耗尽层。如果栅极电压超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度阱状态，电子在那里势能较低-形成了一个势阱。如有信号电子，将聚集在表面，实现电荷的存储。此时耗尽层变薄。势阱

120、的深浅决定存储电荷能力的大小。2021/6/161622024/7/22163（3）、电荷转移）、电荷转移CCD的转移电极相数有二相、三相、四相等。对于单层金属化电极结构，为了保证电荷的定向转移，至少需要三相。这里以三相表面沟道CCD为例。表面沟道器件，即SCCD（SurfaceChannelCCD）转移沟道在界面的CCD器件。2021/6/161632024/7/22164（4）、电荷检测（输出）CCD输出结构是将CCD传输和处理的信号电荷变换为电流或电压输出。CCD最后一个栅极中的电荷包通过栅形成的“沟道”进入到输出二极管（反偏压），此二极管将信号电荷收集并送入前置放大器，从而完成电荷包上

121、的信号检测。根据输出先后可以判别出电荷势从哪个光敏单元来的，并根据输出电荷量可知光敏单元受光的强弱。2021/6/161642024/7/22165指对磁场敏感并具有电磁效应的一类传感材料，包括半导体磁敏电阻、霍尔传感器、强磁性薄膜磁敏电阻和磁敏晶体管等。 5.磁敏传感材料 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。可用于位移、压力、角度等传感。 霍尔传感器 2021/6/161652024/7/22166将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，

122、右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。2021/6/161662024/7/22167磁敏二极管磁敏二极管 磁敏晶体管是PN结型磁电转换元件，具有输出信号大、灵敏度高、工作电流小、体积小等特点。 高纯本征半导体Ge两端形成P型区和N型区，中间本征区的一个侧面磨成光滑的复合表面（为I区），另一侧面打毛，设置成高复合区（为r区），电子空穴对易于在粗糙表面复合而消失。 PIN结外加正偏压： 不加外磁场，空穴从P区到N区，电子从N区到P区形

123、成电流 加正向磁场，电子和空穴向r区偏转，并在r区复合，电流减 小； 加反向磁场，电子和空穴向I区偏转，复合减小，电流变大。磁敏三极管 在弱P型或弱N型本征半导体上形成发射极、基极和集电极。其最大特点是基区较长，也有高复合速率的r区和本征I区。2021/6/161672024/7/22168 气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。 烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感

124、器6.气敏传感材料基区宽度大于载流子有效扩散长度 不加外磁场，大部分载流子通过e极I区b极形成基极电流，少数载流子输入到c极。基极电流大于集电极电流； 加正向磁场，洛仑兹力使载流子偏向发射结的一侧，导致集电极电流明显下降； 加反向磁场，洛仑兹力使载流子偏向集电结的一侧，导致集电极电流明显增大。 用于测量弱磁场、电流、转速、位移等物理量。2021/6/161682024/7/22169半导体气敏传感器的机理半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去其运动

125、能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而固定在吸附处（化学吸附）。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力(气体的吸附和渗透特性)时，吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附，半导体表面呈现电荷层。例如氧气等具有负离子吸附倾向的气体被称为氧化型气体或电子接收性气体。如果半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。具有正离子吸附倾向的气体有H2、CO、碳氢化合物和醇类，它们被称为还原型气体或电子供给性气体。指对气体敏感，材料电阻值会随外界气体种类和含量而发生变化的一类敏感材料。 2021/6/161692024/7/22170当氧化型气体吸附到N型

126、半导体上，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。由于空气中的含氧量大体上是恒定的，因此氧的吸附量也是恒定的，器件阻值也相对固定。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。根据这一特性，可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。半导体气敏时间(响应时间)一般不超过1min。N型材料有SnO2、ZnO、TiO2等P型材料有MoO2、CrO3等。2021/6/161702024/7/22171N型半导体吸附气体时器件阻值变化图型半导体吸附气体时器件阻值变化图2021/6/161

127、712024/7/221727.湿敏传感材料湿度是指大气中的水蒸气含量，通常采用绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是指在一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位为g/m3，一般用符号AH表示。相对湿度是指气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。相对湿度给出大气的潮湿程度，它是一个无量纲的量，在实际使用中多使用相对湿度这一概念。湿敏传感材料指电阻值随环境湿度的增加而显著增大或减小的一类材料，包括半导体陶瓷湿敏材料、高分子湿敏材料等。湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。

128、湿度检测较之其它物理量的检测显得困难。首先是因为空气中水蒸气含量要比空气少得多；其次，液态水会使一些高分子材料和电解质材料溶解，一部分水分子电离后与溶入水中的空气中的杂质结合成酸或碱，使湿敏材料不同程度地受到腐蚀和老化，从而丧失其原有的性质；再次，湿信息的传递必须靠水对湿敏器件直接接触来完成，因此湿敏器件只能直接暴露于待测环境中，不能密封。通常，对湿敏器件有下列要求：在各种气体环境下稳定性好，响应时间短，寿命长，有互换性，耐污染和受温度影响小等。微型化、集成化及廉价是湿敏器件的发展方向。2021/6/161722024/7/22173半导体陶瓷湿敏材料通常，用两种以上的金属氧化物半导体材料混合

129、烧结而成为多孔陶瓷。这些材料有ZnO-LiO2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等，前三种材料的电阻率随湿度增加而下降，故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最后一种的电阻率随湿度增加而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。几种半导体陶瓷湿敏负特性2021/6/161732024/7/22174半导体湿敏陶瓷的导电机理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场，当水在半导瓷表面吸附时，就有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面。于是，其表面层的电阻下降。若该半导瓷为型，则由于

130、水分子的附着使表面电势下降，如果表面电势下降较多，不仅使表面层的电子耗尽，同时吸引更多的空穴达到表面层，有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度，它们同样可以在表面迁移而表现出电导特性。由此可见，不论是型还是型半导瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降，但这还不足以使表面层的空穴浓度增加到出现反型程度，此时仍以电子导电为主。于是，表面电阻将由于电子浓度下降而加大，这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。MgCr2O4-TiO2湿敏元件MgCr2O4为P型半导体：电阻率较低、阻值温度特性好；TiO2：提高材料的机械强度和抗热聚变特性

131、。MgCr2O4：TiO270：302021/6/161742024/7/22175氯化锂湿敏电阻氯化锂湿敏电阻氯氯化化锂锂湿湿敏敏电电阻阻是是利利用用吸吸湿湿性性盐盐类类潮潮解解，离离子子导导电电率率发发生生变变化化而而制制成成的的测测湿湿元元件件。它它由由引引线线、基基片片、感感湿湿层层与与电极组成，电极组成，如图所示。如图所示。湿敏电阻结构示意图氯化锂湿度电阻特性曲线2021/6/161752024/7/22176功能型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。 光纤传感材料指相位、极化、波长、幅度、模功率分布、光程等光学参数会随着被测环境或物体的物理量或化

132、学量的变化而变化的一类光纤材料。分为：功能型光纤传感器和传光型光纤传感器。8.光纤传感材料光纤传感材料光纤流速传感器2021/6/161762024/7/22177以生物活性物质作为敏感元件，利用分子识别作用发生生物化学反应，产生离子、质子、气体、光、热、质量变化等信号，并利用换能器产生光、电信号的一类传感器。可分为：酶传感器、微生物传感器、免疫传感器、组织传感器和基因传感器等。酶传感器：利用电化学装置检测在酶催化反应过程中产生和消耗的化学物质，并将其转化为电信号输出。免疫传感器：利用抗体与抗原的特异性反应来检测物质的一类传感器。基因传感器：利用固定在传感器探头表面上的已知核甘酸序列的单链DN

133、A分子作为核酸探头，用来检测待测基因中的一些单链核酸。9.生物传感材料传光型光纤传感器传光型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为结构型或非功能型光纤传感器。2021/6/161772024/7/22178信息存储材料是指用于各种存储器的一些能够用来记录和存储信息的材料。这类材料在一定强度的外场（如光、电、磁或热等）作用下会发生从某种状态到另一个状态的突变，并能使变化后的状态保持比较长的时间，而且材料的某些物理性质在状态变化前后有很大差别。通过测量存储材料状态变化前后的这些物理性质，数字存储系统就能区别材料的这两种不同状态并用“

134、0”和“1”来表示他们，从而实现存储。第四章第四章 信息存储材料信息存储材料v磁存储材料v半导体存储器材料v光存储材料2021/6/161782024/7/22179计算机存储器系统计算机存储器系统外存的特点：容量大、单位容量成本低、非易失性、寻址和访问速度慢、存储体可更换等。2021/6/161792024/7/22180一、磁存储材料1.1磁存储原理磁存储密度D与磁存储材料的关系：其中，h为磁性薄膜的厚度，Hc为矫顽力，Mr为剩余磁化强度，m为与磁滞回线的磁形度有关的因子。磁存储的模式主要分为两种：水平（纵向）存储模式、垂直存储模式水平存储示意图2021/6/161802024/7/221

135、811.2磁存储系统磁存储系统磁存储系统组成：磁头（换能器）、记录介质（存储介质）、匹配的电路和伺服机械（传送介质装置）。磁头是磁存储的核心部件之一，按其功能可分为记录磁头、重放磁头和消磁磁头三种。记录磁头：将输入的记录信号电流转变为磁头缝隙处的记录磁化场，并感应磁存储介质产生相应变化。重放磁头：当磁头经过磁介质时，磁存储介质的磁化区域会在磁头导线上产生相应的电流，即把已记录信号的存储介质磁层表露磁场转化为线圈两端的电压，经电路放大和处理，获得信号。消磁磁头：将信息从磁存储介质上抹去，使磁层从磁化状态返回到退磁状态。2021/6/161812024/7/22182v细看硬盘内部结构v硬盘磁头及

136、附属组件2021/6/161822024/7/22183v磁头组件。这个组件是硬盘中最精密的部位之一，它由读写磁头、传动手臂、传动轴三部份组成。磁头是硬盘技术中最重要和关键的一环，实际上是集成工艺制成的多个磁头的组合，它采用了非接触式头、盘结构，加电后在高速旋转的磁盘表面移动，与盘片之间的间隙只有0.10.3m，这样可以获得很好的数据传输率。现在转速为7200RPM的硬盘飞高一般都低于0.3m，以利于读取较大的高信噪比信号，提供数据传输率的可靠性。1.2磁存储材料铁磁性物质分为：软磁性材料矫顽力低、磁导率高、磁滞损耗低、易磁化、易退磁用于磁头磁芯材料，包括软铁磁性合金材料和软铁磁性铁氧体材料。

137、硬磁性材料矫顽力高、磁导率低、磁滞特性显著用于磁记录介质材料，包括磁带、硬磁盘、软磁盘、磁卡片等，可以为磁粉（颗粒）涂布型介质或者连续薄膜型介质。2021/6/161832024/7/22184A磁头材料磁头基本功能是与磁存储介质构成磁性回路，对信息进行加工，包括记录、重放、消磁等功能。按工作原理可分为磁阻式磁头和磁感应式磁头。（1）磁阻式磁头磁性材料的电阻随着磁化状态而改变的现象称为磁阻效应。用于磁电阻读出的磁性材料，应具有最小的磁致伸缩系数。优点：灵敏度高、分辨率高、输出与磁带速度无关。缺点：需要足够大的电流或偏置磁场才能驱动，且没有记录功能（2）磁感应式磁头磁性合金：最早应用磁头用磁性合

138、金叠成。最重要三种合金是钼坡莫（钼铁镍）合金、铝铁合金、铝硅铁合金。非晶态合金：铁基非晶态合金，适于作视频磁头材料钴基非晶态合金，磁导率高、居里温度高铁氧体：镍锌铁氧体，成分(NiO)x(ZnO)1-x(Fe2O3)锰锌铁氧体，成分(MgO)x(ZnO)1-x(Fe2O3)薄膜磁头材料：由镍铁合金制成，含80Ni20铁。可以采用真空蒸发、溅射和电解工艺来制作。2021/6/161842024/7/22185B磁带、磁盘存储材料磁带、磁盘存储材料磁带优点：价格便宜、数据载体可以更换、存储容量可以随意扩充缺点：只能按顺序存取结构：主要由磁性材料、带基、黏结剂和添加剂组成。材料：磁性材料有磁性粉末材

139、料和磁性薄膜材料两种带基选用聚氯乙稀和聚酯薄膜等材料 硬磁盘技术的进展时间19921995199820002003储存容量(GB)0.60.95-101050储存密度(Gb/in2)0.10.84620数据率(Mb/s)16100150350500存取时间(ms)30201065磁磁盘盘2021/6/161852024/7/22186磁介质材料：磁性氧化物（氧化铁）涂在塑料和金属薄片上（70），超细磁性氧化物粉末及磁性氧化物薄膜（80），连续磁性介质CoCrPt,CoCrTa薄膜（90），CoSm,Fe/Pt,Fe/Cr,Co/Cu多层膜。C磁泡存储材料垂直于晶体的易磁化轴切出薄片，当它的单轴

140、磁各向异性强度大于表面磁化引起的退磁场强度的自发极化时，在退磁状态下出现弯曲的条状磁畴。这时磁畴的磁化方向只能取向上或向下方向。磁泡受控于外加磁场，在特定位置出现或消失，对应于计算机中的“1”和“0”，用于存储器。由于磁泡的尺寸只有几微米，单位面积存储的信息量非常大。具有容量大、体积小、功耗低、可靠性高、运算速度快等优点。磁泡材料要求：磁泡畴壁矫顽力低、畴壁迁移率高、磁泡薄膜厚度要薄、稳定性好、品质因子高。磁泡材料：石榴石铁氧体，以钆镓石榴石为衬底，采用外延法生长可产生磁泡的含稀土的石榴石薄膜。六角铁氧体2021/6/161862024/7/22187D巨磁电阻存储材料巨磁电阻存储材料巨磁电阻

141、效应（Giantmagnetoresistance，GMR）指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁电阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。通常情况下，金属导电与电子的自旋方向无关。而在磁性多层膜中，导电电子传导时遇到的阻碍与电子自旋的方向有关。自旋磁矩与磁化方向相同的导电电子常比自旋相反的电子更容易传导，因而有更低的电阻，这种与自旋相关的导电性质，导致了磁性多层膜的巨磁电阻效应。利用这种效应，可制成计算机高密度磁头提高磁盘面记录密度。2021/6/161872024/7/22188二、半导体存储

142、器材料半导体存储器分类：按制造工艺双极型：存储速度快，功耗大，集成度小MOS型：存储速度慢、功耗小、集成度高、成本低按功能随机存取存储器（randomaccessmemory，RAM）只读存储器（readonlymemory，ROM）顺序存取存储器（sequentialaccessmemory，SAM）v静态RAM：SRAMSRAM的存储单元由双稳态触发器组成，特点是在没有外界触发信号作用时，触发器状态稳定，只要不断电，即可长期保存所写入的信息。v动态RAM：DRAMDRAM的存储单元利用MOS管的栅极电容对电荷的暂存作用来存储信息。由于任何PN结总有结漏电流，这种方法保存的信号会丢失。常用D

143、RAM存储器单元有四管、三管和单管三种形式。单管单元有一个小电容C和一个门控管V构成。2.1随机存取存储器RAMDRAM集成度高、功耗低、生产成本低，适于制造大容量存储器。2021/6/161882024/7/221892.2只读存储器ROMv固定固定ROMv可编程可编程ROM：PROMv可擦除可编程可擦除可编程ROM：EPROMv闪烁只读存储器（闪烁只读存储器（flashROM）固定ROM由生产厂家采用掩膜技术制备，所存储的内容不能改动，不能另行写入信息。用于存储内容确定且用量较大的场合。可编程ROM：PROMPROM允许用户进行一次编程操作。出厂时其存储单元全制成“0”和“1”，用户可以根

144、据需要写入要存储的内容，但只可写入一次，不可更改。这种存储器的每个单元中的晶体管都与一根熔断丝（或熔接丝）相连，或者把单元做成背靠背的二极管对。编程时用户将编程数据输入计算机，计算机控制编程器向存储器施加电流脉冲，根据需要熔断（或熔合）熔丝或击穿反接的二极管，实现对存储器的编程。熔断丝或熔接丝采用为多晶硅或镍铬合金。2021/6/161892024/7/22190可擦除可编程可擦除可编程ROM：EPROMEPROM分为两种：紫外光改写的只读存储器UVEPROM（a）写入：漏极上加高压脉冲使漏结产生雪崩效应，从而产生高能电子，部分能量大的电子注入浮置栅擦除：用强紫外光照射芯片，使浮置栅上的电子获

145、得足够的能量而逃逸电可改写只读存储器E2PROM（b）写入：控制栅加足够高的正电压，漏极接地。电子穿越隧道给浮栅充电擦除：控制栅接地，漏极加上适当高的正电压，从浮栅上吸出注入的电子特点：浮置栅和漏极之间氧化层非常薄闪烁只读存储器（闪烁只读存储器（flashROM）存储单元由一个双层多晶浮栅MOS晶体管构成。该晶体管以P型半导体为衬底，以两个N区分别为源和漏，源与衬底之间为隧道氧化物N，漏与衬底之间为P型半导体。包围于SiO2层的浮栅有两个，其中靠近衬底的一个浮栅无引出线与外界相连。另一个浮栅靠一根引出线与控制栅相连。隧道氧化层非常薄，只有1020nm。vFlashROM工作原理：写入：在控制栅

146、上加足够高的正电压Vpp，在漏极上施加比Vpp稍低的电压，源极接地。源区的电子在沟道电场作用下向漏区运动，一些热电子越过氧化层进入浮置栅。擦除：利用隧道效应实现的，源极正电压，控制栅接负电压，漏极浮空，浮置栅电子穿过氧化层进入源区。2021/6/161902024/7/22191三、光盘存储材料光存储器简称光盘，是近年来颇受重视的一种外存设备，更是多媒体计算机不可缺少的设备。光盘采用聚焦激光束在盘式介质上非接触地记录高密度信息，以介质材料的光学性质(如反射率、偏振方向)的变化来表示所存储信息的“1”或“0”。按读写性质来分，光盘分为只读型、一次型、重写型三类只读型光盘CD-ROM只读型光盘是厂

147、商以高成本制作出母盘后大批重压制出来的光盘。这种模压式记录使光盘发生永久性物理变化，记录的信息只能读出，不能被修改。典型的产品有：LD俗称影碟，记录模拟视频和音频信息，可放演60分钟全带宽的PAL制电视。CD-DA数字唱盘，记录数字化音频信息，可存储74分钟数字立体声信息。VCD俗称小影碟，记录数字化视频和音频信息。可存储74分钟按MPEG-1标准压缩编码的动态图像信息。DVD数字视盘。单记录层容量为4.7GB，可存储135分钟按MPEG-2标准压缩编码的相当于高清晰度电视的视频图像信息和音频信息。CD-ROM主要用作计算机外存储器，记录数字数据，也可同时记录数字化视频和音频信息。2021/6

148、/161912024/7/22192CDROM（CompactDiskReadOnlyMemory），意译为只读式紧凑光盘。出现于1983年，1988年订为国际标准。CDROM利用聚焦成1m直径光斑的780nm的高能量激光束在存储介质上进行光学读写而获得的。CDROM光盘上有一条从内向外由凹坑和凸区（平坦表面）相互交替组成的连续的螺旋形路径，在这条路径上，每个信号元素所占的长度是相等的。CD-ROM制作过程分为数据准备、阳母盘制作、金属压模盘制作和光盘制作四个阶段。数据准备：通过收集、整理、编辑、调制等步骤将欲存储的信息转换成二进制数字信号；阳母盘制作：在玻璃母盘上均匀涂上一层光刻胶，利用调制

149、过的激光照射后，用化学方法使曝光部分脱落，在母盘上形成凹坑pit和平台land结构。金属压模盘制作：在阳母盘上沉积较厚的金属层，然后将金属层与母盘分离，形成金属的阴母盘，称为压模盘。光盘制作：将融化的聚碳酸酯注入模板，用压模成型的方法将压模上的凹陷和凸起以负像的方式复制到聚碳酸酯盘表面。待聚碳酸酯凝固后，在数据面上镀覆金属铝作为反射层，再在反射层上加保护层，形成CD-ROM光盘。2021/6/161922024/7/22193读盘原理光盘上存储的各种类型的信息（音乐（Audio）、数据（Data）视频（Video）等），都经过数字化处理变成“0”与“1”，其所对应的就是光盘上的Pits（凹点）

150、和Lands（平面）。当激光照射到盘片上时，如果是照在Lands上，那么就会有70到80激光被反射回；如果照在Pits上，就无法反射回激光。根据反射和无反射的情况，光盘驱动器就可以解读0或1的数字编码了。一次型光盘writeoncereadmany,WORM用户可以在这种光盘上记录信息，但记录信息会使介质的物理特性发生永久变化，因此只能写一次。写后的信息不能再改变，只能读。典型产品是可记录光盘（CD-R）。用户可在专用的CD-R刻录机上向空白的CD-R盘写入数据，制作好的CD-R光盘可放在CD-ROM驱动器中读出。2021/6/161932024/7/22194根据记录方式不同，一次型光盘记录

151、介质有如下类型：烧蚀型对碲基合金等光盘介质，利用激光热效应，使光照微区熔化、冷凝并形成信息凹坑v起泡型由高熔点金属和聚合物两层薄膜形成，光照使聚合物分解排出气体，两层间形成气泡使膜面隆起，与周围形成反射率的差异，以实现反差记录v熔绒型用离子束刻蚀硅表面，使之形成绒面结构，光照微区使绒面熔成镜面，实现反差记录v合金化型用PtSi、RhSi等制成双层结构，光照微区使双层结构熔成合金，形成反差记录v相变型多用As2Se3，Sb2Se3等硫系二元化合物制成，光照微区使之发生相变，利用两相反射率的差异记录信息一次性光盘的膜层结构一般分为衬底层、记录层、反射层和保护层。记录方式通常为记录层薄膜吸收写入激光

152、能量后由于热效应产生烧蚀，形成凹坑或气泡以实现信息记录，同时利用凹坑或气泡与周围介质的反射率差别来实现信息的读出。记录层材料：对记录光波长的吸收系数大；热烧蚀的温度低；凹坑或气泡规整、均匀，与周围介质反射率差值大、长期稳定。记录层材料：碲（Te）的合金膜，如As-Te、AsTe-Se、Te-Bi、Te/Te-Se此外，记录薄膜层也可采用有机材料，利用有机染料吸收写入激光能量，因热过程使染料分解，由此引起染料的漂白和鼓泡、在PC塑料中的暴沸和变形等。这类光盘的寿命由有机染料薄膜和记录点结构的稳定性决定。有机一次记录材料有花菁染料（绿盘）、酞菁（金盘）和偶氮染料。2021/6/161942024/

153、7/22195重写型光盘用户可对这类光盘进行随机写入、擦除或重写信息。典型的产品有两种：MO磁光盘写入数据：热磁效应当激光束将磁光介质上的记录点加热到居里点温度以上时，外加磁场作用改变记录点的磁化方向，而不同的磁化方向可表示数字“0”和“1”。读出数据：磁光克尔效应当激光束照射到记录点时，记录点的磁化方向不同，会引起反射光的偏振面发生左旋或右旋，从而检测出所记录的数据“1”或“0”。擦除利用激光束扫描光盘信道，同时施加与磁光盘初始磁场方向相同的磁场，使各记录单元的磁化方向复原。PC相变盘利用相变材料的晶态和非晶态来记录信息。写入激光束对记录点加热再快速冷却后，从而呈现为非晶态。读出用弱激光来扫

154、描相变盘，晶态反射率高，非晶态反射率低，根据反射光强弱的变化即可检测出“1”或“0”。擦除利用激光束使光盘某点温度升高到低于材料的熔点而高于非晶态的转变温度，使产生重结晶而恢复成多晶结构。无论是磁光盘还是相变盘，介质材料发生的物理特性改变都是可逆变化，因此是可重写的。2021/6/161952024/7/22196MO磁光盘材料稀土过渡金属（RE-TM）非晶态合金薄膜成分可以连续变化，磁性能在较大范围内连续可调。缺点是稳定性差，不利于信息资料的长期保存。石榴石氧化物薄膜在短波长时有很大的磁光效应，抗氧化性和抗辐照性好，适于航空航天和军事用途，但制作成本较高。Pt-Co合金薄膜和Pt-Co成分调

155、制膜Pt-Co成分调制膜是将Pt和Co按一定厚度作周期性交替生长的多层薄膜，是蓝光高密度磁光盘的理想存储材料。制作成本较高。vMn基磁光薄膜材料主要分为Mn-Bi材料和Pt-Mn-Sb材料两种尚有待进一步研究。PC磁光盘材料Te基Ge-Sb-Te合金，写、擦速度非常快，最短写擦脉宽只有3050ns，为相变光盘高速直接重写功能并提高相变光盘的数据传输速率创造条件。Se基In-Se-Tl-Co合金，光存储性能好，最短擦除时间为60ns，写擦循环次数高达106次。但含剧毒元素Tl且写入功率过高，未实用化。InSb（锑）基合金In-Sb-Te-Ag合金，晶态反射率较高（约60），写入功率较低，成为可读

156、写光盘和DVD随机存储器的首选记录材料之一。2021/6/16196197优点：优点：v存储密度高存储密度高。存储面密度可达，为普通磁盘10100倍。例如一张CD-ROM盘片，外径120mm，容量可达680MB。不会产生信息衰减v非接触式读写信息保护激光头v抗电磁干扰抗电磁干扰。因为外界电磁干扰的频率远低于光频，即使不同光束之间也很难互相干扰。v记录速度快记录速度快：单通道50MB/s多通道200MB/sv价格低廉价格低廉光存储的特点光存储的特点2021/6/161972024/7/22198暂时的缺点：数据传输速率比磁盘机低由于存储单元面积过小，光盘原始误码率较高。不过科技人员发明了很多解决

157、方案。在CD-ROM光盘的大容量存储空间中，有相当一部分被专门用于检错和纠错。由于检错和纠错算法的发展，这些检验值会使大部分的数据读出错误被自动纠正。而且光盘驱动器中，读数据的硬件电路也具有填补少量数据丢失的功能。2021/6/16198光纤材料其它通信材料第五章信息传输材料光导纤维材料光导纤维是指能导光的纤维，通常由折射率高的纤芯及折射率低的包层组成，这两部分对传输的光具有极高的透过率。目前应用的光纤是以SiO2为主要原料的纤维，其纤芯芯径为数m到数百m。光线进入光纤在纤芯与包层的界面发生多次全反射，将载带的信息从一端传到另一端，从而实现光纤通信。1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实

158、验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。1966年，英籍华人高昆(KCKao)提出低损耗光导纤维的概念。尽管他们所试验的光纤损耗高达1000dBkm，但他们指出如采用石英玻璃等作介质，可使其损耗降低到20dBkm。（光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示）1970年，美国康宁公司首次研制成功损耗为20dB/km的石英光纤，它是一种理想的传输介质。同年，贝尔实验室研制成功室温下连续振荡的半导体激光

159、器(LD)。从此，开始了光纤通信迅速发展的时代，因此人们把1970年称为光纤通信的元年。1.光纤的发展历程1974年，贝尔实验室发明了制造低损耗光纤的方法，称作“改进的汽相沉积法(MCVD)”，光纤损耗下降到1dB/km。1976年，日本电报电话公司研制出更低损耗光纤，损耗下降到0.5dB/km。1976年，美国在亚特兰大成功地进行了44.7Mbit/s的光纤通信系统试验。日本电报电话公司开始了64km、32Mbit/s突变折射率光纤系统的室内试验，并研制成功1.3微米波长的半导体激光器。1979年，日本电报电话公司研制出0.2dB/km的极低损耗石英光纤（1.5微米）1984年，实现了中继距

160、离50km、速率为1.7Gbit/s的实用化光纤传输系统。1990年，使用了1.55微米长波长单模光纤传输系统，实现了中继距离超过100km、速率为2.4Gb/s的光纤传输。1996年WDM技术取得突破，贝尔实验室发展了WDM技术，美国MCI公司在1997年开通了商用的WDM线路。光纤通信系统的速率从单波长的2.5Gb/s和10Gb/s爆炸性地发展到多波长的Tb/s(1Tb/s=1000Gb/s)传输。当今实验室光系统速率已达10Tb/s，几乎是用之不尽的，所以它的前景辉煌。2.优点载频为31014Hz，约为电视通信所用超高频的100000倍，从而使信息载带容量或带宽激增；在理论上，光纤可以传

161、送107路电视或1010路电话，可以把一个特大图书馆储藏的全部图书信息在短时间内全部传送完毕，其容量比金属同轴电缆大5个数量级。传输损耗很小，每单位传输距离只需要极少的放大器或中继站。与金属导线比起来，高频率下光纤损耗低得多，它可以传输几十公里乃至上百公里不必增加中继器，而金属同轴电缆没有中继器只能传输几公里。光纤是绝缘体，不受邻近其它系统和其它物体产生杂散电场的影响。因此不受干扰，基本上能防范电子间谍。尺寸小、重量轻，有利于铺设和运输。光纤的芯径仅为单管同轴电缆的百分之一。8芯光缆直径约10mm，而标准同轴电缆为47mm。这样可以解决地下管网由于通信电缆太多而造成的拥挤问题。光纤材料主要是石

162、英(SiO2)，它在地球上非常丰富。缺点：质地脆,机械强度低光纤切断和接续需要一定的工具,设备和技术分路,耦合不灵活光纤，光缆弯曲半径不能过小(20CM)在偏僻地区存在有供电困难问题3.光纤的结构纤芯core：折射率较高，用来传送光；包层coating：折射率较低，与纤芯一起形成全反射条件；保护套jacket：强度大，能承受较大冲击，保护光纤。纤芯的作用是传导光波，包层的作用是将光波封闭在光纤中传播。为了达到这一目的，需保证纤芯材料的折射率n1大于包层材料的折射率n2。目前通信应用的光纤主要是石英玻璃光纤。其纤芯由掺有折射率比石英高的杂质的石英材料作成，而包层则往往在石英中掺入比石英折射率低的

163、杂质。刚拉制出来的光纤就像普通玻璃丝一样是很脆弱的。为了保护光纤，提高其机械强度，作为产品提供的光纤都在刚拉制后经过一道套塑工序，在其外表涂覆上一层甚至几层塑料层。通常光纤的套塑方式有松套和紧套两种。涂覆可以提高光纤的抗拉强度，同时改善其抗水性能。4.结构参数125105012562.51254.1光纤尺寸4.2数值孔径NA（NumericAperture）表征光纤集光能力的一个参数。接收锥1-1输入输入输出输出低数值孔径NA高数值孔径NANANA数值孔径越大，光纤的集光能力就越强，能够进入光纤的光通量就越多NA越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好;但NA越大，经光纤传输后产生的信

164、号畸变越大，因而限制了信息传输容量限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。4.3相对折射率差表征纤芯和包层之间折射率差值的一个参数，其大小直接影响光纤的性能。表达式：通常情况下，纤芯和包层相对折射率差很小，在0.0010.01之间取值（1的情况称为弱波导）。1-2对于弱导光纤：1-31-44.4折射率分布阶跃光纤：纤芯折射率为常数渐变光纤：纤芯径向折射率呈渐变型分布渐变型光纤折射率分布可表示为：1-5n1为纤芯轴线处（r=0）折射率；r为纤芯内任意一点到芯轴的距离；a为光纤纤芯半径；为相对折射率差；为折射率分布指数，通常分布曲线为抛物线（=2）4.5归一化频率V表征光纤中所

165、能传输的模式数目多少的一个特征参数表达式：1-60 0为光波波长为光波波长V2.405时，光纤中传输单一模式，称为单模光纤4.6截止波长c截止波长是单模光纤所特有的一个参数，通常用它可判断光纤中是否单模传输。与Vc=2.405相对应的波长c定义为光纤的截止波长。1-7单模传输时，光纤的工作波长应大于截止波长，这样才能保证满足光纤的单模传输条件。5. 传输原理光纤中光波的传输原理-全反射原理入射光入射光反射光反射光折射光折射光折射率折射率n1折射率折射率n1n21n2当n1n21c时发生全反射c：临界角n1n2空气空气ABMAX只要满足全内反射条件连续改变入射角的任何光线都能在光纤纤芯内传输。光

166、子晶体波导示意图6. 光纤的传输特性光纤特性有光学特性，传输特性，机械特性，温度特性等，其中传输特性有两个损耗特性损耗限制系统的传输距离损耗限制系统的传输距离色散特性色散则限制系统的传输容量和传输距离色散则限制系统的传输容量和传输距离信号畸变信号畸变的主要原因是光纤中存在色散色散6.1光纤色散(Dispersion)色散：光纤中的光信号由不同成分（如不同模式、不同频率）组成，在传输过程中，各种频率成分或各种模式成分的传播速度不同，引起信号脉冲展宽、波形失真的物理现象。光纤数字通信传输的是一系列脉冲码，脉冲展宽导致了脉冲与脉冲相重叠现象，即产生了码间干扰，从而形成传输码的失误，造成差错。为避免误

167、码出现，就要拉长脉冲间距，导致传输速率降低，从而减少了通信容量。另一方面，光纤脉冲的展宽程度随着传输距离的增长而越来越严重。因此，为了避免误码，光纤的传输距离也要缩短。色散的种类色散的种类模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散模式色散又称模间色散材料色散材料色散材料色散材料色散 波导色散波导色散波导色散波导色散 极化色散极化色散极化色散极化色散模式色散模式色散只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后只存在于多模光纤中。每一种模式到达光纤终端的时间先后不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。不同，造成了脉冲的展宽，从而出现色散现象。单模光纤中只传输基模单模光纤

168、中只传输基模（HE11模模），），单模光纤中不存在单模光纤中不存在模式色散。模式色散。阶跃光纤的模式色散阶跃光纤的模式色散不同入射角的光线不同入射角的光线时延差时延差如n11.5，0.01，L1km，50ns模式色散影响模式色散造成的时延差的因素有两个：芯包层相对折射率差光纤的长度时延差与纤芯包层相对折射率差成正比。越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，希望小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。光纤越长，时延差也越大，模式色散也越大。材料色散和波导色散是由于光信号不是单一频率所引起。所以统称为波长色散，又称色度色散。材料色散严格来说，对不同的传

169、输波长石英的折射率有不同的值。这是光纤材料自身特性造成的。光纤通信用的光源，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。光的波长不同，折射率n不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。材料色散用表示为光源的谱线宽度，即光功率下降到峰值功率一半时所对应的波长范围L为光纤传播的长度Dm（）为材料色散系数例如：一光纤材料色散系数为3.5ps/(nmkm)，光谱的谱线宽度为4nm，在光纤上传输1km，则材料色散为1-8波导色散由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交

170、界面产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。波导色散系数用波导色散系数用表示表示波导色散又称结构色散，因为波导色散又称结构色散，因为V和和b都是光纤结构参数的都是光纤结构

171、参数的函数函数纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。纤芯越小，相对折射率差越大，波导色散也越小。1-9波导色散的大小和材料色散同一量级。SiO2在1.29m附近材料色散系数有个零值点，大于该波长，材料色散系数为正值。而在大于1.29m波长区域，波导色散为负值。阶跃单模光纤的色散特性阶跃单模光纤的色散特性材料色散材料色散总色散总色散波导色散波导色散1.31 m改变光纤的折射率分布和剖面结构参数，可以改变波导色散的值，从而在所希望的波长上实现材料色散和波导色散的代数和为零。三种光纤色散情况比较极化色散极化色散极化色散又称偏振模色散（PolarizationModeDispersion,简称P

172、MD）单模光纤的基模实际上是由两个偏振方向相互正交的模场HE11x和HE11y所组成。这两种模式在理想的圆柱形对称结构的光纤中，具有相同的传播常数，不存在时延差模式简并。若单模光纤存在着不圆度、微弯力、应力等，会使HE11x和HE11y两种模式的传播常数不同，这种现象称为模式双折射。由于双折射，两模式存在时延差，从而会在光纤的输出端产生偏振色散。对长度为L的光纤，两个模式的时延差为nx和ny分别为x和y方向的折射率1-10四四种色散的比种色散的比较一般来说，光纤四种色散的大小顺序是：模式色散材料色散波导色散极化色散由于极化色散很小，一般忽略不计对于多模光纤，总色散等于前三者相加，起主导作用的是

173、模式色散，其他两个色散影响很小。对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。对光纤用户来说，一般只关心光纤的总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总色散。光纤总色散多模光纤：单模光纤：为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。LED、LD以及动态单频激光器（如DFB）的谱宽依次变窄，色散明显地减小。6.2光纤损耗损损耗耗的的存存在在光光信信号号幅幅度度减减小小限限制制系系统统的的传传输输距距离离。光纤内传输的光纤内传输的光功率光功率P P随随距离距离z z的变化，可以用下式表示的变化，可以用下式表示习惯上习惯上 的单位用的单位用dB/km，损

174、耗系数损耗系数设长度为设长度为L(km)的光纤，的光纤，输入光功率为输入光功率为P Pi i，输出光功率为，输出光功率为P Po o式中，式中， 是是损耗系数（或称衰减系数）损耗系数（或称衰减系数）。1-111-121-13损耗的损耗的机理机理 紫外吸收（电子跃迁）紫外吸收（电子跃迁）本征吸收本征吸收红外吸收（分子振动）红外吸收（分子振动）吸收损耗氢氧根吸收氢氧根吸收杂质吸收杂质吸收过渡金属离子吸收过渡金属离子吸收光纤损耗原子缺陷吸收原子缺陷吸收瑞利散射损耗瑞利散射损耗（折射率微观起伏）（折射率微观起伏）散射损耗结构不完善引起的散射损耗结构不完善引起的散射损耗光纤弯曲损耗光纤弯曲损耗弯曲损耗光

175、纤微弯损耗光纤微弯损耗连接损耗连接损耗耦合损耗耦合损耗吸收损耗吸收损耗物质的吸收作用将传输的光能变成热能，从而造成光功率的损失。吸收损耗包括：本征吸收本征吸收 杂质吸收杂质吸收 原子缺陷吸收原子缺陷吸收光纤材料的固有吸收叫做本征吸收。对于石英(SiO2)材料，本征吸收在红外区域和紫外区域。红外吸收是分子振动引起的，对2m以上的光波表现得特别强烈，石英系光纤的工作波长不能大于2m。石英光纤在1.85m波长的理论极限损耗为ldBkm。红外吸收对光纤通信波段影响不大。对于短波长不引起损耗，对于长波长光纤引起的损耗小于1dB/km。紫外区由电子跃迁引起，中心波长在0.16m附近，尾部拖到lm左右，已延

176、伸到光纤通信波段(即0.8m1.7m的波段)。在短波长范围内，引起的光纤损耗小于1dBkm。在长波长范围内，引起的光纤损耗小于0.1dBkm。红外吸收和紫外吸收单模光纤损耗谱，各种单模光纤损耗谱，各种损耗机理损耗机理光纤中含有过渡金属离子：铁、镍、铜、锰、铬、钒、铂等和水的氢氧根离子，这些杂质造成的附加吸收损耗称为杂质吸收。金属离子含量越多，造成的损耗就越大。降低光纤材料中过渡金属的含量可以使其影响减小到最小的程度。 为了使由这些杂质引起的损耗小于1dB/km，必须将金属的含量减小到10-9以下。这样高纯度石英材料的生长技术已经实现。杂质吸收杂质吸收氢氧根离子吸收氢氧根离子吸收目前，光纤中杂质

177、吸收主要由于水的氢氧根离子。存在三个主要的吸收峰，分别是0.95m、1.24m和1.38m1.38m波长的吸收损耗最为严重，对光纤的影响也最大。散射损耗散射损耗散射：由于介质的不均匀性使光线向四面八方散开的结果。通常情况下，散射引起光纤的损耗，因而是有害的。但是，这种现象也可以为我们所利用，因为如果我们在发送端对接收到的这部分光的强弱进行分析，可以检查出这根光纤的断点、缺陷和损耗大小。散射使光射向四面八方，其中一部分散射光沿着与光纤传播相反的方向反射回来使得一部分光能受到损失（瑞利背向散射）。瑞利散射是光纤材料的本征损耗。它是由材料不均匀性所引起的。这些不均匀，象在均匀材料中加了许多小颗粒，尺

178、寸很小，远小于波长。当光波通过时，有些光子就会受到它的散射。鉴于目前的光纤制造工艺，瑞利散射损耗是无法避免的。但是，由于瑞利散射损耗的大小与光波长的4次方成反比，所以光纤工作在长波长区时，瑞利散射损耗的影响可以大大减小。瑞利散射瑞利散射结构不完善引起的散射损耗结构不完善引起的散射损耗光纤结构不完善，如光纤中有气泡、粗细不均匀、芯-包层交界面不平滑等，光线传到这些地方时，就会有一部分光散射到各个方向，造成损耗。由射线光学理解，在正常情况下，导模光线以大于临界角入射到纤芯包层界面上并发生全反射，但在光纤结构不完善处，入射角将减小，甚至小于临界角，这样光线会退出纤芯外而造成损耗。在模式理论中，这相当

179、于光纤边界条件的变化使光功率由波导模转入辐射模而引起，即部分模式能量被散射到包层中。这种损耗是可以想办法克服的，那就是要改善光纤制造的工艺。光纤的弯曲有两种形式：弯曲或宏弯：曲率半径比光纤的直径大得多的弯曲微弯：微米级的弯曲宏观弯曲损耗光纤的弯曲损耗正比于：exp(-R/Rc)（Rc为弯曲损耗临界曲率半径）对单模光纤，Rc的典型值为0.2-0.4mm；如果弯曲半径R5mm，则弯曲损耗SiO2+2Cl2高温氧化高温氧化4BCl3+3O22B2O3+6Cl2高温氧化高温氧化4BBr3+3O22B2O3+6Br2生成：生成：SiO2-B2O3芯层反应方程式芯层反应方程式：高温氧化高温氧化SiCl4+

180、O2SiO2+2Cl2高温氧化高温氧化GeCl4+O2GeO2+2Cl2高温氧化高温氧化4POCl3+3O22P2O5+6Cl2生成：生成：SiO2-GeO2完成四步后的光纤预制棒有三层：1、中心为光纤芯层玻璃2、紧接芯层的是沉积的包层3、最外面一层的石英管壁玻璃，即光纤的保护层。保护层不起导光作用，但其几何尺寸与内在杂质含量直接影响光纤的机械强度和传输性能，所以，必须选取质量好的石英反应管。MCVD法的特点MCVD特点是在石英反应管(也称衬底管)内沉积包层和芯层的玻璃，整个系统是处于封闭的超纯状态下，所以用这种方法制得的预制棒可以生产高质量的单模和多模光纤。我国的光纤生产一般使用这种方法，利

181、用MCVD法制备的多模光纤损耗可稳定在24dB/Km，单模光纤损耗可达到0.20.4dB/Km，且具有很好的重复性。本征吸收来自石英玻璃中电子跃迁和分子振动产生的吸收。对于高纯度、均匀的石英玻璃，在可见和红外区域的本征损失很小。但是，一些外来的元素产生了重要的杂质吸收。除金属杂质外，OH-离子是另一个极重要的杂质。为了降低O-H基的吸收损耗，原材料的脱水技术十分重要。实验证明，在纯熔融石英中，要想得到实验证明，在纯熔融石英中，要想得到4dB/km(0.854dB/km(0.85m)m)的损的损耗，杂质的质量比应是：耗，杂质的质量比应是：要想得到要想得到0.5dB/km以下的损耗，以下的损耗，O

182、H-的质量比要降低到百分的质量比要降低到百分之几之几ppm。ppm(partpermillion)的定义：的定义：百万分之一。百万分之一。8.1.2石英光纤的损耗特性石英光纤的总损耗谱特性0.70.80.91.01.11.21.31.41.51.6nmOH-OH-OH-第一窗口第一窗口第二窗口第二窗口第三窗口第三窗口损损耗耗(dB/km)水峰值水峰值654321普通单模石英光纤损耗：0.35dB/km(1.3m)0.2dB/km(1.55m)8.1.2石英光纤的色散特性现代光通信基本上都使用单模光纤，而单模光纤中无多模色散，主要是材料色散和波导色散。单模光纤的总色散：1-15普通光纤：1310

183、m色散位移光纤：1550m非零色散位移光纤：1530m零色散波长石英光纤在1.3至1.5m的区域内具有最低的损耗和色散，损耗已降低到0.15dB/km(1.55m)，接近于0.1dB/km的理论极限。但其传输距离由于瑞利散射不会超过200km。利用散射损耗与波长四次幂成反比散射损耗与波长四次幂成反比的关系，制造出适用于长波长的光纤【其特点是可透过近红外（15m）或中红外（10m）】，使损耗进一步降低，就能延长传输距离。5000km传输距离如用0.83m的光纤传输系统，需333个中继站，而用1.5m的系统有33个中继站就够了。各发达国家已着眼于230m的新的传输波段，对卤化物、硫属化物和重金属氧

184、化物等红外光纤做了大量开创性工作。8.2红外光纤A红外光纤卤化物光纤氟化物玻璃光纤理论损耗约为0.001dB/km（2.5m）比石英光纤小l2个数量级，有可能实现106km无中继通信。卤化铊卤化铊有较好的延展性，已挤压出直径751000m、长200m的多晶纤维。溴化铊或碘化铊多晶光纤在4.05.5m时损耗最低，可达0.0ldB/km。氟化铍在红外区的本征损失为石英的l/6，可拉制透射2m波段的光纤。该种光纤有可能将光信号无中继传输数百甚至上千公里。氟化锆理论损耗达0.001dB/km(2.55m)(比最好的石英光纤低两个数量级)，透过率高于氧化物玻璃，且受高能辐照不易黑化。氟化锆基玻璃的主成分

185、为氟化锆(6070mol)，并以氟化钡(2030mol)为改性剂(降低熔点)，以少量其它氟化物作稳定剂(如AlF3、LaF3、PbF2作结晶化抑制剂)和指数改性剂(如PbF2)，借以获得合适的纤芯和包层组分。这种玻璃光纤的透射波长范围从78m的红外区一直延伸到0.20.3m的近紫外区。拉出的ZrBaLaAlLiPb(纤芯)ZrBaLaAlLi(包层)氟化物光纤，在2.55m下的最低损耗为6.8dB/km，纤维的“实用”强度高达3800MPa。如果氟化物玻璃光纤接近0.001dB/km的最低理论损耗，从而实现横跨大洋的通信。B红外光纤硫属玻璃光纤砷、锗、锑与硫属元素硫、硒构成的玻璃叫硫属玻璃，光

186、学损耗高，主要用于短距离传能。目前己拉出在CO和CO2激光波长下损耗为数百dB的纤维。在一根光纤上能传输数瓦的能量，这对拓宽CO2和CO大功率激光器的应用领域有重要意义。C红外光纤重金属氧化物光纤对此类纤维的研究，主要局限于GeO2系统。抽成丝后最小损耗约为4dB/km(2m)。可用作红外光纤、非线性光学光纤，尤其是可用来实现光信号放大，有可能用于超长距离光学传输系统。在传能方面，80GeO210ZnO10K2O空心纤维是供CO2激光器传能用的一种较好的包层材料。SiO2约占百分之几十，此外还含有B2O3、GeO2、P2O3和As2O3等玻璃形成体及Na2O、K2O、CaO、MgO、BaO和P

187、bO等改性剂，熔点低(1400)，可用传统的坩埚法拉丝。特点：芯-皮折射率可在较大范围内变化，因而有利于制造大数值孔径的光纤，但材料损耗大，在可见光波段一般为:1dBm8.3多组分玻璃光纤8.4晶体光纤晶体光纤纤芯由晶体材料制成，主要有YAG（Y3Al5O12）系、YAP（YAlO3）系、Al2O3系、LN（LiNb2O3）系、LBO（LiB3O5）系、BSO（Bi12SiO20）系和卤化物系等晶体光纤。优点：具有更宽的红外波段窗口，其组成的器件与普通光纤间的耦合性能好。用途：制造各种有源和无源器件。纤芯为液体，可以很好的传输热量，具有良好的导热性，对光能量的吸收相当小，所以能传输高达数百瓦的

188、大功率光能量，而不易被烧坏甚至烧毁的现象；普通传光光纤束都是多根单丝集束的光缆，单丝截面一般都是圆形，所以即使是紧密排列，填充率也只有80%左右。而液芯光纤的内部传光层是一个整体，其填充率是100%，不存在这种因填充率而引起的传输损耗；单丝集束而成的大口径光纤束，输出的光斑是由一个个的小光点构成，由于液芯光纤的传光部分是一个整体，所以它的输出是一个完整的光斑，其光强分布的均匀性要优于普通的传光光纤；液芯光纤被弯曲时，其外层软管发生弯曲，内部液体产生流动，使液芯光纤有良好的可挠性；相较于普通的大口径光纤束，液芯光纤的制作也很更加简单。8.5液芯光纤液芯光纤液芯光纤的内部为可以自由流动的液体，外层

189、是柔性塑料软管优点：5.8.6掺稀土元素光纤掺稀土元素光纤是采用某种工艺技术将钕、铒和钇等稀土元素离子单独或混合掺入光纤芯中而制成的。目前主要是掺杂到光纤纤芯中的，但亦有同时掺杂到光纤包层中去的。其掺杂浓度可从1PPm到0.25wt%的宽广范围内变化。纤芯中掺杂稀土元素有Er、Yb、Nd、Tm、Pr、Er/Yb、Ho等纤芯直径4m，NA0.1包层直径125m，形状为圆形5.8.7塑料光纤全塑料光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。其特点是柔韧、加工方便、芯径和数值孔径大。塑料光纤的优点：质量轻、轻而柔软、抗挠曲、抗

190、冲击强度高、价格便宜、抗辐照、易加工、并能制成大直径光纤(13毫米，以增大受光角度，扩大使用范围)。缺点：透光性差、光损耗较大、耐热性差、传输光带狭窄(限于可见光区)。塑料光纤纤芯用聚合物材料塑料光纤包层用聚合物材料聚合物光纤损耗连续挤出法将单体、少量引发剂和链转移剂连续加入反应器中，在此聚合到一定转化率，形成浆液。经齿轮泵送入脱挥发分挤出机，除去单体后经机头挤出芯材。优点制成光纤前不与外界接触，减少了污染，生产效率也高，为较理想的工业方法。缺点设备复杂，聚合物接触金属太多，且易引起聚合物分解。塑料光纤的制造方法连续挤出法工艺流程示意图间歇挤出法 从单体瓶中将单体蒸入反应器，再从另一个瓶中将引

191、发剂或链转移剂升华或蒸入反应器，密封加热到180进行聚合。当转化率达100%时，温度升高到200，熔融聚合物在干燥氮气下加压，从反应器通过喷嘴压出，再用相似于连续挤压法的包覆而得光纤。优点设备简单，避免了降解，可以生产光损耗低至55dB/km（567nm）的PMMA光纤缺点生产效率不高预制棒拉丝法预制棒由本体聚合法制得，通过夹具固定预制棒，经过拉丝炉拉出裸丝，经纤维径度控制器进入卷取鼓。外皮包覆既可在预制棒外敷，也可在拉丝时在线涂敷。优点不经长期加热，可降低降解几率，减小光损耗，可制得梯度折射率光纤。塑料包层光纤是以石英作纤芯、塑料作包层的阶跃型多模光纤。其芯径和数值孔径都较大，适于短距离小容

192、量通信系统应用。5.8.8塑料包层光纤5.9 光纤的应用5.9.1通信上的应用光纤可以传输数字信号，也可以传输模拟信号。光纤在通信网、广播电视网与计算机网，以及在其它数据传输系统中，都得到了广泛应用。光纤宽带干线传送网和接入网发展迅速，是当前研究开发应用的主要目标。光纤在通信中的各种应用可概括如下：通信网构成因特网的计算机局域网和广域网有线电视网的干线和分配网综合业务光纤接入网典型应用：作为校园网的骨干传输网典型应用：作为校园网的骨干传输网5.9.2光纤在传感器上的应用光纤传感主要基于外部世界各种物理量或化学量变化引起光纤光学参数（包括相位、偏振态、波长、幅度、模功率分布、光程等）的变化。例：

193、电磁场变化光波x、y方向相位差改变测量电场、磁场强度光纤受压或弯曲光纤几何变形测量光纤受力、弯曲程度光纤传感器分类功能性光纤传感器：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器。如磁敏磁敏元件传感器元件传感器 、热敏传感器、气敏传感器等；、热敏传感器、气敏传感器等；传光型光纤传感器：光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器。如反射式位移传感器、半导体吸收温度传感器反射式位移传感器、半导体吸收温度传感器、光纤多普勒速度传感器等。光纤多普勒速度传感器等。5.9.3 光纤在医学上的应用光导纤维不但是通信和传感器技术中的重要材料，还是医生的得力助手。目前在医学领域，普

194、遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。光学纤维胃镜用光导纤维做手术，不用开刀光导纤维在医学上的应用：医用内窥镜（右上）及在手术中的使用激光手术刀用卤化银光导纤维光导纤维手术头灯光纤是在当今铜资源不足及高技术的迫切要求下，获得空前发展的。以SiCl4为主要原料的石英光纤，经

195、历了：0.85m多模(最低损耗23dB/km，无中继距离一般8km)1.3m多模(最低损耗0.41dB/km)1.3m单模(最低损耗0.35dB/km，无中继距离3050km)1.5m单模(最低损耗0.140.16dB/km，无中继距离可达100km)几个阶段。损耗越来越小，无中继距离越来越长。1.3m单模和多模光纤已发展成熟。5.10光纤发展趋势光纤技术正向更长波长发展。因此研制长波长光纤材料，特别是氟化锆基等非石英光纤，对实现洲际海底光缆的无中继通信具有重大战略意义。此外，光纤传感器在温度、压力、速度、液面、流量、位移、振动、电磁参数及核辐射等的测量中有广阔的应用前景。其它通信材料通信电缆

196、材料A双绞线材料双绞线由两根相互绝缘的铜线以均匀对称的方式扭绞在一起作为一条通信链路，以减少附近导线的干扰。双绞线导线的典型直径0.41.0mm；电缆：将多对双绞线捆在一起，封在一个坚实的护套中。屏蔽双绞线与无屏蔽双绞线B同轴电缆材料同轴电缆以硬铜线为芯，外面包一层绝缘材料，该层绝缘材料用密织的网状导体环绕，网层外面在覆盖一层保护材料。具有高带宽和较好的噪声抑制特性。项目双绞线（电话） 同轴电缆（宽带）单模光纤材料线径传输损耗带宽中继间隔Cu2mm20dB/km(4MHz)6MHz12kmCu/绝缘材料10mm20dB/km(60MHz)500MHz12kmSiO2/GeO20.2mm20dB

197、/100km(10000MHz)10GHz1THz50km三种传输介质性能比较2024/7/22265v发光机理和发光特性发光机理和发光特性v发光显示材料发光显示材料v受光显示材料受光显示材料v光电显示材料前景光电显示材料前景第六章第六章 信息显示材料信息显示材料2021/6/162652024/7/22266一、发光机理及发光特性1.发光机理根据发光机理的不同，发光过程可以分为两类，即分立发光和复合发光。分立发光：发光中心受激发时并未离化，即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。特点：单分子过程，并不伴随着光电导，又称“非光电导型”发光。分立发光又分为自发发光和受迫发光。

198、自发发光：受激发的粒子（如电子）在粒子内部电场作用下从激发态回到基态时的发光。其粒子跃迁的几率基本上决定于发射体内的电场，而不受外界因素影响。受迫发光：受激发的粒子（如电子）在外界因素的影响下的发光。其需要经过一个成为亚稳态的中间过程才能发光。自发发光受迫发光2021/6/162662024/7/22267复合发光复合发光发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子（一般为正离子或者空穴和电子），这两种粒子复合时的发光。由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以又称“光电导型”发光。单分子过程电子在导带中停留的时间较短（10-10s）双分子过程电子在导带中停留的时间较长

199、2.发光特点2.1颜色特征不同的发光中心，在不同的基质材料中，可能发出不同波长的光。已知的发光材料可以覆盖整个可见光的范围。吸收光谱和发射光谱表征发光材料特性的常用方法。吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，一般说来其波长大于吸收光谱的波长。2021/6/162672024/7/22268宽带材料：半宽度100nm，如CaWO4窄带材料：半宽度50nm，如Sr(PO4)3Cl：Eu3+线谱材料：半宽度0.1nm，如GdVO4：Eu3+依照发射峰半宽度发光材料究竟属于哪一类，既与基质有关，又与杂质

200、有关。例如，将Eu2+掺杂在不同的基质中，可以得到上述3种类型的发光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。半宽度发射峰的半宽度发射峰的半宽度Zn2SiO4：Mn的发射光谱和吸收光谱2021/6/162682024/7/222692.2发光强度发光强度发光效率表征材料的发光本领。其大小与激发强度有关。可以用量子效率、能量效率和光度效率（流明效率）来表示材料发光效率的高低。量子效率：发光量子数与激发源输入的量子数之比。能量效率：发光的能量与激发源输入的能量之比。光度效率：发光的流明数与激发源输入的能量之比。2.3发光持续时间（余辉）发光持续时间（余辉）荧光：激发和发射两个过程之间的间隙极

201、短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷光：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。余辉时间：当激发停止后，发光强度衰减到10%所经历的时间。极短余辉：余辉时间1s的发光美国的“9.11”事件中，由于世贸中心大楼内采用了蓄光型自发光材料，使1.8万人得以迅速撤离，在国际上引了极大的轰动。该材料具有吸光、蓄光、发光的性能，吸收各种可见光10-20分钟，即可在黑暗中连续发光12小时以上，其发光亮度和发光时间是传统荧光型材料的30-50倍，可广泛地适用于建筑、装饰、交通运输、军事设施、消防应急、工业、日用品、工艺品等领域。2021/6/162692024/7/22270常用的发光材料都是

202、常用的发光材料都是二元或者多元化合物二元或者多元化合物。-：ZnS、ZnO、（Cd，Zn）S、Zn（S，Se）等紫外光、电子束、电场、X射线或带电粒子激发-：GaAlP、GaAlAs、GaP：发光二极管GaN：结型场致发光碱卤化合物：NaI：Tl、CsI：Tl、LiI：Eu用于闪烁体氧化物：Y2O3：Eu氟化物：MgF2、ZnF2硫氧化物：Y2O2S：Eu用于电子束管钨酸盐：MgWO4硅酸盐：CaSiO3：Pb，Mn对于发光材料，要想得到有效的发光材料，都要在这些材料中掺杂微量杂质。基质为半导体，需要一定的导电能力，应从施主、受主的角度选择杂质。掺杂的杂质在复合发光中发挥作用。基质为高阻半导体

203、或绝缘体，需要从发光中心的角度选择杂质。掺杂的杂质包括过渡族元素、类汞元素、重金属及稀土元素。2021/6/162702024/7/22271二二. .发光显示材料发光显示材料电子束激发的发光材料电子束激发的发光材料阴极射线管阴极射线管CRTFED发光材料发光材料真空荧光显示真空荧光显示VFD电场激发显示材料电场激发显示材料电致发光材料电致发光材料EL发光二极管发光二极管LED等离子体显示（等离子体显示（PDP）材料）材料2021/6/162712024/7/222721.1858年，盖斯勒在自制的玻璃管中阴极和阳极之间发现了稀薄气体放电现象。 2.1875年，克鲁克斯经过几年的实验，证明阴极

204、射线是由粒子组成的。3.1892年，舒斯特做了阴极射线实验，证实了阴极射线是由带负电的粒子组成的。1897年，英国汤姆逊测出阴极射线粒子的电荷与质量的比值，并且把射线中的粒子定名为电子发现电子。阴极射线的本质阴极射线的本质1.阴极射线管阴极射线管CRT阴极射线致发光过程：u电离过程 高能电子束激发发光材料时，基质晶体吸收激发能，引起基质价带或者满带电子的电离；u电子和空穴的输运过程 产生的电子和空穴分别在晶体中扩散输运；u电子空穴对复合发光过程2021/6/162722024/7/22273v电子枪v聚焦系统v加速电极v偏转系统v荧光屏工作原理：在电子枪中，阴极被灯丝间接加热至约2000K时，

205、阴极发射大量的电子，经加速、聚焦、偏转后轰击荧光屏上的荧光粉，发出可见光。电子束的电流受显示信号控制，信号电压高，电子束电流也越高，荧光粉发光亮度也越高。2021/6/162732024/7/22274CRT荧光粉荧光粉CRT荧光粉有上百种，一般具有高的发光效率和各种各样的发射光谱。制备CRT发光材料的原材料要求具有较高的纯度。即使有害杂质的含量极小，也会使发光性能有明显变化。例如，Fe、Co、Ni、Mn质量分数不超过110-7，Cu的质量分数不超过510-8。荧光粉由基质、激活剂和助溶剂组成。荧光粉基质可分为：氧化物：ZnO：Zn硫化物：ZnS：Cu，Al；CdS硅酸盐：Zn2SiO4：Mn

206、2+钨酸盐：CaWO4稀土化合物：Y2O3；YGdO2S：Tb为降低基质结晶温度，促进晶体形成和长大，并使激活剂易于进入晶格中而加入的物质。往往不含在最终产品中。2021/6/16274杂质v激活剂：对某种特定的化合物起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料发光，如ZnS:Agv共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质，掺入后有利于发光中心的形成，称为共激活剂，如ZnS：Cu，Alv敏化剂：能够将所吸收的能量传给发光中心，有助于激活剂引起的发光，使发光亮度增加，称为敏化剂，如YF3：Yb，Erv猝灭剂：损害发光性能，使发光强度降低的杂质。如Fe、Co、Ni等v惰性杂质：对发光性能影响较小，对发光

207、亮度和颜色不起直接作用的杂质，如碱金属、碱土金属等。制备工艺v（以Y2O3:Eu为例）按分子式（Y0.96Eu0.04）2O3配好料，与适量助熔剂（NH4Cl，Li2SiO3）混磨均匀，装入石英坩埚或者氧化铝坩埚中，在1340下灼烧12h，高温出炉，冷至室温，在253.7nm紫外光激发下选粉，用去离子水洗至中性，然后包膜处理。2021/6/162752024/7/222762.FED发光材料发光材料发光机理：属于电子射线激发发光（阴极发光）。将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上，通过电场使电子发射到真空中（FED由此而来，这种阴极称为冷阴极）。FED把无数微米尺寸的微小阴极（发射极）配置在平

208、面上，阴极和阳极之间的间隔为200微米至几毫米左右，从而最终实现平板显示。特点：图像质量好，耗能低，体积薄，亮度高。项目CRTFED阴极类型热阴极冷阴极加速电压1530kV3008000V扫描方式逐点扫描矩阵式逐行扫描寻址时间ns量级几十s2021/6/162762024/7/22277FED发光材料发光材料FED采用矩阵式逐行扫描方式，寻址时间较长（几十微秒），使发光粉库仑负载较大，容易发光饱和并老化。满足FED使用条件的荧光粉：ZnO:Zn、ZnCa2O4（蓝光）、ZnCa2O4:Mn（绿粉）、Gd2O2S:Tb（绿粉）、Y2O2S:Eu（红粉）。缺点：亮度偏低，开发新型FED发光粉成为当

209、务之急。3.真空荧光显示真空荧光显示（VFD）VFD(vacuumfluorescencedisplay)是1967年由伊势电子工业公司开发的光电显示器件，它是以数十伏电压的、低速的数十毫安的电子流激发荧光体。用途：作为文字和数字的显示器件，用于家电产品、AV产品、车载设备和测试设备等方面。2021/6/162772024/7/22278VFD基本结构1-表面玻璃；2-阴极；3-栅极；4-荧光体；5-阳极；6-玻璃衬底基本原理：当对涂有氧化材料的阴极加热时，它在近650度时发射热电子，热电子被金属网栅加速后，再轰击阳极的荧光物质发光。结构：玻璃面板阴极栅极阳极（涂荧光物质）玻璃衬底灯丝：直径为

210、1020m的钨丝用热电子发射率高的氧化物涂覆栅极：开孔度大的筛网状极薄不锈钢板荧光材料：ZnO：Zn（蓝绿色）2021/6/162782024/7/222794.电致发光材料电致发光材料EL无机电致发光材料无机电致发光材料有机电致发光材料有机电致发光材料粉末发光材料粉末发光材料薄膜发光材料薄膜发光材料发光二极管发光二极管2021/6/162792024/7/22280无机电致发光材料无机电致发光材料在直流或者交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光。相应的材料称为电致发光（场致发光）材料。v1920年德国学者古登和波尔发现，某些物质加上电压后会发光，人们把这种现象称为

211、电致发光或场致发光（EL）。v1936年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉便能发出明亮的光。v1947年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当时发光效率很低，还不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。v70年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体管（TFT）技术的发展场致发光（EL）在寿命、效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高。使得场致发光（EL）成为在显示技术中最有前途的发展方向之一。v电致发光（EL）按激发过程的不同分为两大类：本征型电致发光：荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激

212、发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）；2021/6/162802024/7/22281v第一类大致分成：交流薄膜电致发光（ACEL）;直流薄膜电致发光（DCEL）;交流粉末电致发光（ACTFEL）;直流粉末电致发光（DCTFEL）。2021/6/162812024/7/22282交流高场薄膜电致发光（交流高场薄膜电致发光（TFELTFEL）ACTFEL结构示意构示意图1金属电极：Al2绝缘层：Y2O33发光层：ZnS：Mn4绝缘层：Y2

213、O35透明电极：ITO6玻璃衬底2021/6/162822024/7/22283v目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:Mn薄膜结构。器件由三层组成，如图所示。v器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。v掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。vACTFEL优点是寿命长（大于2万小时），亮度高，工作温度宽（-55+125） 缺点是只有掺Mn的发光效率高，且为橙黄色。对全色显示要求的三基色，研制高效的发光材料是当今研究的课题。vEL器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及其他设备仪器仪表、手

214、机、手表、电子钟、LCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志，公司标志，出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。交流粉末电致发光ACEL结构图2021/6/162832024/7/22284v交流电致发光是目前高场电致发光的主流。ACEL结构如图所示。v它是将电致发光粉ZnS:Cu，Cl或（Zn，Cd）S:Cu，Br混合在有机介质（环氧树脂和氰乙基醣的混合物）中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。v实质上，ACEL是大量几微米到几十微米的发光粉状晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，也称德斯垂效应。ACEL所加的电压通常为数百伏。发光强度可

215、达3.4105cd/m2，总体发光亮度约40cd/m2功率转换效率为1%，寿命约1000小时。 几种电致发光粉特性2021/6/162842024/7/22285发光二极管（Light-Emitting Diode，LED） 是一种半导体固体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过的载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，发出某种颜色的光或者白光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。 发光二极管LEDLED发光原理 发光二极管一般由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般P

216、N结的特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如右图所示。2021/6/162852024/7/22286假设发光是在P区中发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近PN结面数m以内产生。

217、理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度有关，即1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光760nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。2021/6/162862024/7/22287LED优点v寿命长：LED光源有人称它为长寿灯，意为永不熄灭的灯。固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。 v

218、高节能：直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。v多变幻：LED光源可利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25625625616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。v利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。v高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通

219、信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。2021/6/162872024/7/22288发光二极管用发光材料发光二极管用材料要求具有如下特性：发光在可见光区，禁带宽度3.26eVEg1.63eV；材料必须容易做成n型及p型；具有高效率的发光中心或复合发光；效率降至初始值一半的时间大于105h；材料要能生长成单晶，能规模化生产。常用LED材料u二元化合物：GaP（红绿）、GaN（红绿蓝黄白）、GaAs和SiC等；u三元化合物：控制混晶的成分比可以改变禁带宽度，实现多色化，AlxGa1-xAs、GaAs1-

220、xPx、In1-xGaxP和In1-xAlxP等；u四元化合物：可以在相当宽的范围内控制禁带宽度与晶格常数，如InGaAsP在室温下能实现0.553.40m波长的发光。2021/6/162882024/7/222892003年6月，中国科技部联合信息产业部、中国科学院等8个部门，和北京、上海等15个地方政府全面启动我国半导体照明工程，旨在迎接新的照明革命，加速我国半导体材料、芯片、封装及应用产业化支撑技术方面突破。中国国家半导体照明工程2004年3月上海上海张江（预测2010年，上海半导体灯产业将实现销售额100120亿元人民币，出口创汇35亿美元）2004年4月厦门厦门三安、明达光电、乾照光

221、电芯片（总产量占大陆芯片产量的25%，达70亿粒）2004年4月大连大连路美芯片科技有限公司（1.5亿美元）2004年5月南昌江西联创光电科技股份有限公司2005年4月深圳世纪晶源（中外合资，注册资金8亿元）国家半导体照明工程产业化基地2021/6/162892024/7/22290v有机发光显示器（OLED）又称有机发光二极管，是以有机薄膜作为发光体的自发光显示器件。 - 可以卷起来的显示器OLEDOLED：有机电致发光：有机电致发光OLED优点优点自发光，视角广达170o以上反应时间快（微秒级反应时间，1s），无一般LCD残影现象高亮度（100-14000cd/m2）高流明效率（16-38

222、lm/W）低操作电压（3-9VDC），低功率消耗全彩化面板厚度薄（2mm）可制作大尺寸与可挠曲性面板可使用温度范围大制作简单，规模量产后，可比LED节省成本20%2021/6/162902024/7/22291vOLED已成为当今超薄、大面积平板显示器件研究的热门。v1963年Pope发表了世界上第一篇有关OLED的文献，当时使用数百伏电压，加在有机芳香族Anthracene（葸）晶体上时，观察到发光现象。但由于电压过高，发光效率低，未得到重视。v直到1987年伊士曼柯达公司的C.W. Tang及Steve Van Slyke等人发明以真空蒸镀法制成多层式结构的OLED器件后，研究开发才活越起

223、来。同年，英国剑桥大学Jeremy Burroughes证明高分子有机聚合物也有电致发光效应。v1990年英国剑桥大学的Friend等人成功的开发出以涂布方式将多分子应用在OLED上，即Polymer（多聚物，聚和物） LED，亦称PLED。不但再次引发第二次研究热潮，更确立了OLED在二十一世纪产业中所占的重要地位。vOLED的发光机理：在外加电场驱动下，由电极注入的电子和空穴在有机物中复合而释放出能量，这些能量传递给有机发光物质的分子，使其从基态跃迁到激发态，当受激分子由激发态回到基态时，辐射跃迁产生发光现象。v这些释放出来的能量中，通常由于发光材料的选择及电子自旋的特性，只有25%（单重

224、态到基态）的能量可以用来当作OLED的发光，其余75%（三重态到基态）的能量以磷光或热的形式回归到基态。OLED发光机制2021/6/162912024/7/22292 有机电致发光材料有机电致发光材料 按功能分：按功能分：电子传输材料电子传输材料空穴传输材料空穴传输材料发光材料发光材料组组装装TriplelayerstructureforOELdevices2021/6/162922024/7/22293一般是具有大的共轭平面的芳香族化合物，它们大都具有良好的接受电子的能力。 电子传输材料1,3,4噁二唑化合物吡啶环 一般为芳香多胺类化合物，因为多级胺的N原子具有很强的给电子能力，在电子的不

225、间断给出过程中表现出空穴的迁移特性。 空穴传输材料TPDNPD2021/6/16293有机电致发光过程v载流子注入：在外加电场作用下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入夹在电极之间的有机功能薄膜层v载流子迁移：注入的电子和空穴分别从电子传输层和空穴传输层向发光层迁移v载流子复合：电子和空穴结合产生激子v激子迁移：激子在电场作用下迁移，将能量传递给发光中心v电致发光：激发态电子通过辐射光子释放能量vOLED属有机分子为主的非晶半导体器件，而无机发光器件（EL）则是以原子为主。vOELD的特性主要来自其分子之作用力；而EL是来自其原子之作用力。v有机分子是共价键化合物，因其电子被局域化，故导电性不佳。

226、然而有一类有机分子因其具有-电子，而在适当组合下，这些-电子不会被局域化，而其键结是以单、双键方式交互形成（称为共轭分子），而其特性因-电子能够在其共轭-轨道上移动，故具有导电性。利用此类单体分子便能聚合产生“共轭聚合物”。最早的共轭聚合物即为聚乙烯，其具有高导度。v有机半导体:导电程度介于导体与半导体之间，应用范围非常广，多用于电磁波遮蔽体、抗静电涂布等。而利用其掺杂及去掺杂的行为，可用于充电式电池、智能电变色窗、太阳电池、光存储、非线性光学器件等。当前最热门的应用则是OLED。v目前正进入产业化阶段。OLED在材料与技术专利部分主要有两大阵营，分别为小分子及高分子材料。目前OLED量产的产

227、品有90%以上为被动式单色或多彩小尺寸显示器，应用市场主要为手机、PDA、手持游戏机和数字相机等。若从技术及市场发展趋势来看，OLED将会往主动式、全彩和大尺寸发展，进而直接威胁TFT-LCD和PDP等平面显示器的市场。2021/6/162942024/7/222955.等离子体显示材料什么是等离子体 等离子体就是被激发电离气体，达到一定的电离度，气体处于导电状态，这种状态的电离气体就表现出集体行为，即电离气体中每一带电粒子的运动都会影响到其周围带电粒子，同时也受到其他带电粒子的约束。由于电离气体整体行为表现出电中性，也就是电离气体内正负电荷数相等，称这种气体状态为等离子体态。由于它的独特行为

228、与固态、液态、气态都截然不同，故称之为物质第四态。 看似“神秘”的等离子体，其实是宇宙中一种常见的物质，在太阳、恒星、闪电中都存在等离子体，它占了整个宇宙的99。等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99。低温等离子体是在常温下发生的等离子体（虽然电子的温度很高）。等离子体是一种很好的导电体，可以利用电场和磁场来控制等离子体。如焊工们用高温等离子体焊接金属。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间科学的进一步发展提供新的技术和工艺。2021/6/162952024/7/22296ABC：非自持放电，靠紫

229、外线、宇宙射线作用使气体产生微弱电离。达到C点后气体被击穿，变成不稳定的自持放电，并开始发光，此时的电压称为着火电压。EF区正常辉光放电区，相应的电压为维持电压异常辉光放电弧光放电平板充气二极管的伏安特性等离子体发光原理：气体的电子获得足够的能量后，可以完全电离。一方面，这种电子具有较大的动能，能在气体中高速飞行，同时与其他粒子碰撞，使得更多粒子电离。另一方面，电离的粒子之间也会发生复合，并以光的形式释放出能量。等离子体发光原理图(a) 电子同正离子复合； （b）正负离子复合2021/6/162962024/7/22297 等离子显示 等离子体显示器(Plasma Display Panel，

230、PDP) 等离子体显示器的工作原理与一般日光灯原理相似，它在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光体（象素）。每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氦、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三基色荧光粉。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体放电，产生等离子体。等离子产生的紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同的由三基色混合的可见光。每个等离子体发光管就是我们所说的等离子体显示器的像素，我们看到的画面就是由这些等离子体发光管形成的“光点”汇集而成的。A单色等离子体显示基本结构Ne-Ar混合气体在一定电压下产生气体放电，发射出582nm橙色光。B彩色等离子体显示基本结构对向放电式表面放电式介质层：电

231、极通过介质层以电容的形式耦合到气隙中；MgO保护层：降低器件工作电压，同时耐离子轰击，提高器件工作寿命。2021/6/162972024/7/22298等离子体发光材料等离子体气体材料主要是惰性气体，特别是以氖气为主，另外掺杂一些其它气体。Ne+He、Ne+Ar：橙红色光He+Xe：紫外光PDP用三基色荧光粉应满足如下条件：在真空紫外区高效吸收；在同一放电电流时，通过三基色荧光粉发光混合获得白光；具有鲜明的色彩度；稳定性好；涂粉和热处理工艺具有稳定性；余辉时间短。2021/6/162982024/7/22299PDP三基色氧化物荧光粉三基色氧化物荧光粉2021/6/162992024/7/22

232、300三三.受光显示材料受光显示材料液晶显示材料液晶显示材料电致变色显示材料电致变色显示材料电泳着色显示材料电泳着色显示材料2021/6/163002024/7/223016.液晶显示材料液晶显示材料v1888年奥地利植物学家Reinitzer在显微镜中观察到胆甾醇苯甲酸酯(俗称胆固醇)在145.5时，熔化成一种雾浊液体，在178.5时，突然全部变成清亮的液体。当冷却时，先出现紫蓝色，而后自行消失，物质再呈混浊状液体。v某些有机物的结晶，受热熔融或被溶解之后，失去了固态物质的刚性，产生了流动性，表观上看似乎由结晶态变成液态，但这种流动性物质的分子仍然保持着有序排列，在物理性质上呈现各向异性，这

233、种各向异性的流动液体再继续加热，则得到各向同性的液体。v也就是说，某些结晶熔化时，要经过一种兼有液体和晶体的部分性质的流体的过渡状态。物质的这种既有液体的流动性，又具有晶体的分子排列整齐、各向异性的状态，叫做物质的液晶态。液晶分子的特点：v液晶分子的几何形状与球状分子相比发生了明显的伸长或扁化。v分子末端含有强极性或易于极化的原子或原子团，使分子保持取向有序。 v液晶分子长轴不易弯曲，有一定的刚性。v生成液晶相的能力以及液晶相的稳定性与前三个因素的强弱有关，是三个特性的综合体现。2021/6/163012024/7/22302v热致液晶的相变有以下两种：晶体各向同性液体液晶相晶体液晶相各向同性

234、液体、互变相变型、单变相变型、单变相变型液晶的分类根据液晶的形成条件，可将液晶分为溶致型、热致型。v溶致型液晶利用合适的溶剂制成一定浓度的溶液，当此浓度超过某一临界值时才显示液晶的性质。v热致型液晶是在一定温度区间，即在Tc（由晶态转入液晶态的温度）和Ti(由液晶态转入无序液体的温度)之间的温度范围内形成液晶态。v作为显示技术应用的液晶都是热致液晶2021/6/163022024/7/22303根据液晶态的结构，可将液晶又分为三类： 向列型液晶、近晶型液晶、胆甾型液晶。v向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液

235、体一样富于流动性；v近晶型分子由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性；2021/6/163032024/7/22304v胆甾型液晶，也称螺旋状液晶 分子依靠端基的相互作用彼此平行排列成层状结构，分子的长轴与层平面平行，而相邻两层之间分子长轴的取向依次规则的扭转一定的角度，层层累加形成螺旋面结构。 旋转360的层间距离称为螺距，反射光波长与螺距有关，而温度变化时螺距会发生变化。根据液晶分子的几何形状，可将液晶又分为三类： 棒状分子、板状分子和碗状分子。v液晶显示是依靠液晶的电光效应和

236、热光效应，具体分类如下：v电场效应：利用介电常数的各向异性。属于这种的有扭曲型、超扭曲型、宾主效应型、相变型、电控双折射型、铁电效应型等；电流效应：利用介电常数各向异性与电导率各向异性。属于这种的只有动态散射型一种；电热效应：利用电极加热使液晶状态发生变化，有存储性。热光效应：激光写入型和胆甾热变色型；液晶显示2021/6/163042024/7/22305液晶显示的特点v在各类显示器件特性比较中，液晶具有如下独到的特点：低压、低功耗23V的工作电压和几个微安的工作电流，功耗只有10-610-5W/cm2，与大规模集成电路的发展相适应。平板结构液晶显示器的基本结构是两片导电玻璃，中间灌有液晶的

237、薄形盒，易于控制显示面积和厚度。显示信息量大液晶显示中，各象素点之间不用采取隔离措施，所以在同样显示窗口内可容纳更多的象素。易于彩色化液晶无色，所以可采用滤色膜容易实现彩色。长寿命无辐射、无污染CRT中有X射线辐射，PDP中有高频电磁辐射，液晶不会有这种情况出现。液晶显示也具有下列缺点：显示视角小大部分液晶显示的原理依靠液晶分子的各向异性，对不同方向的入射光，反射率是不一样的，视角一旦增大对比度迅速下降。响应速度慢液晶在显示快速移动的画面时，质量不好，可通过减薄液晶厚度和改进电路来改善。另外也不适用于高寒和高热地区使用。2021/6/163052024/7/22306液晶材料v常用液晶显示材料

238、有几十种，主要分为如下类型：甲亚胺（西夫碱）类安息香酸酯类联苯类和联三苯类环己烷基碳酸酯类苯基环己烷基类和联苯环己烷基类环己烷基乙基类电子纸显示电子墨水、反转球技术和双稳态胆甾醇液晶v电致变色显示在电的作用下，物质发生氧化还原反应，使物质的颜色发生可逆性变化的现象称为电致变色。利用这种现象制作的显示器件称作电致变色显示器。（Electrochomeric display，ECD）v电泳显示电泳是指悬浮在液体中的带电粒子在外电场作用下定向移动并附着在电极上的现象。如果带电粒子有一定颜色，就可以利用电泳实现信息显示，称为电泳显示（Electrophoretic display，EPD）四四. .光

239、电显示材料前景光电显示材料前景显示技术的发展方向高分辨率平板化大型化研制新一代显示技术计算机技术、通讯技术与显示技术结合2021/6/16306电光调制材料电光调制材料声光调制材料声光调制材料磁光调制材料磁光调制材料第七章第七章 信息处理材料信息处理材料2021/6/16307电光调制材料电光调制材料声光调制材料声光调制材料磁光调制材料磁光调制材料第七章第七章 信息处理材料信息处理材料2021/6/16308激光作为传递信息的有效工具，首先要解决的问题就是如何将信息加载到激光辐射上去，也就是要解决激光调制的问题。激光调制：把欲传输的信息加载到激光辐射上的过程激光调制器：完成激光调制过程的装置解

240、调：由已调制的激光辐射还原出所加载信息的过程载波：携载低频信号作用的激光调制信号：低频信号调制光：已被调制的激光激光调制技术激光调制技术2021/6/16309光调制分类光调制分类按载波被信号按载波被信号改变的参量改变的参量振幅调制振幅调制频率调制频率调制位相调制位相调制脉冲调制脉冲调制调制方法调制方法机械调制机械调制电光调制电光调制磁光调制磁光调制声光调制声光调制电源调制电源调制调制器与激调制器与激光器的关系光器的关系内调制：内调制：在激光振荡过程中加载调制信号在激光振荡过程中加载调制信号外调制：激光形成以后加载调制信号外调制：激光形成以后加载调制信号2021/6/16310当激光束通过某些

241、光学介质的时候，光学介质的光学性质（如折射率）会发生显著的变化，从而使通过介质的激光束的某些特性（如相位）随之变化。这种能使激光束实现调制的光学介质称为光调制材料。根据不同的调制机理，光调制材料分为：电光材料、磁光材料、声光材料和热光材料等几种。光调制材料光调制材料电光材料电光材料电光效应电光效应物质的光学特性受电场影响而发生变化的现象统称为电光效应。外加电场可以使单折射物质（光学各向同性）变为双折射物质（光学各向异性），也可使本来就具有双折射的物质进一步改变其各向异性性质，这类现象都属于电光效应。其中物质的折射率受电场影响而发生改变的电光效应分为普克尔效应和克尔效应。研究表明，材料的折射率与

242、所加电场E之间的关系可以表示为n=n0+aE+bE2+其中n0为没加电场E时的折射率，a，b是常数。2021/6/16311折射率的变化同电场强度有直线关系，称为普克尔效应。n=n-n0=aE 如图所示，当压电晶体受光照射并在与入射光垂直的方向上加上高电压时，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克尔效应。1-2如果折射率的变化同电场平方有直线关系则称克尔效应。n=n-n0=bE21-3 它与普克尔效应的差别除表现在电场与物质折射率的变化成二次方关系外，还表现在所用的材料不是压电晶体，而是各向同性物质(有时是液体)。2021/6/16312具有对称中心的晶体，式（1-1）中的奇次项为零，只存在偶

243、次项；不具有对称中心的晶体，式（1-1）中的所有各项均不为零。这就是说，一次电光效应只存在于不具有对称中心的20类点群中（432点群不具有对称中心，但因对称性较高，仍无一次电光效应），故压电晶体一定具有一次电光效应，而二次电光效应则存在于一切透明介质中。 一次电光效应比二次电光效应显著的多，对于压电晶体总是用其一次电光效应，利用二次电光效应的材料主要是立方晶系材料和某些液体（如硝基苯）。它们不具有一次电光效应，但二次电光效应较大。电光材料材料举例材料举例电光材料要求：电光系数大、折射率高、半波电压低、介电常数小（减小高频损耗）、使用的光波段透光性好、温度稳定性好和化学稳定性好。v电光材料大部分

244、是晶体，它们最重要的用途是用于制造光调制元件及用于光偏转、可变谐振滤波和电场的测定等方面。2021/6/16313KDP型晶体型晶体包括磷酸二氢钾、磷酸二氘钾（KD*P）、磷酸二氢铵（ADP）、砷酸二氢铯（CDA）、砷酸二氘铯（CD*A）、砷酸二氢铷（RDA）、-石英等。KD*P:光学均匀性好，在0.192.58m波段透过率高，容易获得大尺寸。缺点：易潮解立方钙钛矿型晶体立方钙钛矿型晶体包括钽铌酸钾（KTN）、钛酸钡（BaTiO3）、钛酸锶（SrTiO3）等。优点:二次电光系数大，V/2值低，不吸潮。缺点：不易获得大尺寸，光损伤阈值低。铁电性钙钛矿型晶体包括铌酸锂（LiNbO3）、钽酸锂（Li

245、TaO3）等。优点:电光系数大，易生长大尺寸，居里点高。缺点：V/2值高，光损伤阈值低。闪锌矿型晶体包括ZnS、ZnSe、ZnTe、GaAs、CuCl和Se等。用于中远红外的电光器件。钨青铜型晶体包括Sr0.75Ba0.25Nb2O6（SBN）、K3Li2Nb5O15（KLN）等。优点:半波电压低、光损伤阈值高。缺点：组分不易控制，难以得到优质单晶。2021/6/16314主要电光晶体及其性质主要电光晶体及其性质2021/6/16315电光材料电光材料材料举例材料举例 陶瓷是将金属氧化物为主的粉末置于高温下烧结而成的，它的显微结构由细小的晶粒所构成，由于晶界的光散射，一般是接近于白色的不透明体

246、。但近年来由于陶瓷制造工艺的发展，出现了热压法、微细粉末精制法等，可制成更致密的陶瓷，以及随着添加剂研究的进展，成功地研制出致密的、可控制光的界面散射的透光性陶瓷，其代表是PLZT陶瓷。PLZT陶瓷材料可通过控制材料组成，自由地调整其电光性质。由于陶瓷材料很容易制成任意形状和大小的元件，故适合于大量生产和加工。与电光晶体相比，价格便宜，是一种性能优良的材料。锆钛酸铅通常简称PZT陶瓷，属二元系，是PbZrO3和PbTiO3的固溶体，具有钙钛矿型结构PLZT：指掺La的锆钛酸铅陶瓷，具有电光效应。在铁电陶瓷中，电畴状态的变化伴随着光学性质的改变，通过外加电场对透明陶瓷电畴状态的控制，可有电控双折

247、射细晶陶瓷和电控光散射粗晶陶瓷等特性。2021/6/16316电光材料材料应用 电光效应最重要的应用是作电光快门。 从光源发出的自然光通过起偏片变成纵向振动的线偏振光，如果电光晶体没有受外电场作用，这束偏振光通过晶体时将不发生振动方向的偏转，即仍是纵向振动的线偏振光。但检偏片只允许水平振动的偏振光通过，纵向振动的偏振光不能通过，因而此时没有光输出相当快门关闭。如果在电光晶体上施加一个电压，由于电光效应使光的振动方向发生偏转，于是开始有光输出。随着施加电压大小的改变，光输出的大小也在变化。当所加电压调到某一电压值使光振动方向偏转到水平方向时，光输出达到最大，相当于快门全部打开。这个电压称为半波电

248、压。当晶体上施加的电压为半波电压时，纵向振动的平面偏振光通过晶体后，变成了水平振动的平面偏振光，从而顺利地通过检偏片成为输出光。2021/6/16317声光材料声光效应分类外加的超声波频率较高时产生布拉格衍射外加的超声波频率较低时产生拉曼纳斯衍射声波作用于某些物质之后，该物质光学特性发生改变，这种现象称为声光效应。超声波引起的声光效应尤为显著，这是因为超声波能够引起物质密度的周期性疏密变化，因而可使正在该物质中传输的光改变行进方向。普通的衍射现象发生在光栅上，而声光效应所产生的衍射却是由于超声波的作用，在物质内形成密度疏密波(起光栅作用)。因此，也称声光效应为“活动性光栅”。声光材料声光效应2

249、021/6/16318布拉格衍射原理图布拉格衍射原理图1-41-5其中：其中： - - 布拉格角布拉格角 - - 光波波长光波波长 s- s- 声波波长声波波长 - - 超声光栅幅度超声光栅幅度 I I0 0 - - 入射光强入射光强 I I1 1 - - 一级衍射光强一级衍射光强2021/6/16319拉曼拉曼-奈斯声光衍射中的光频移奈斯声光衍射中的光频移2021/6/16320声光材料要求：品质因素大、对激光波长透明、对光波和声波的吸收小、光学性质均匀、声速随温度变化小、物理化学性质稳定、机械强度高声光材料主要分为晶体材料、玻璃材料和液体材料三种。声光材料材料晶体材料：晶体材料：单晶介质是

250、最重要的一类声光材料，适宜制造频率高于l00MHz的高效率声光器件。单晶介质材料的物理性质是各向异性的。可通过选择声模和光模的最佳组合，获得从材料的平均性质所预想不到的有益的声光性能。PbMoO4晶体：品质因素高，吸收损耗低，不易吸潮，晶体的生长、处理和加工容易。TeO2晶体：品质因素高，吸收损耗低，形成器件体积小、驱动功率小-LiIO3晶体：品质因素高，具有旋光、倍频、压电、电光、声光等多种效应。2021/6/16321主要声光晶体及其性能主要声光晶体及其性能2021/6/16322玻璃：最常用的声光介质玻璃有熔融石英玻璃、Te玻璃、重火石玻璃等。玻璃介质的优点为：易于生产，可获得形状各异的

251、大尺寸块体；退火后，光学均匀性好、光损耗小、易加工、价格低。缺点：在可见光谱区，难以获得折射率大于2.1的透明玻璃，玻璃的弹光系数小。一般来说，玻璃只适用于声频低于100MHz的声光器件。液态材料：液态材料主要是水、有机碘化物、溴化物。水的品质因素较低，但声损耗小。其它一些液态声光材料，尽管品质因素高，但声频损耗过大，应用仅限于低频。主要声光玻璃材料及其性能2021/6/16323液体声光材料特性声光材料应用应用声光介质材料被广泛地用采研制声光偏转器、声光调制器和声光滤波器等各类声光器件。这些器件不仅广泛地用来调制激光束(方向和强度)，而且由于声光器件具有大带宽、大容量实时处理信号的能力，而被

252、广泛地用于时域、频域实时信号处理，并形成一门新的信号处理技术声光信号处理技术。2021/6/16324声光调制器示意图磁光材料磁光效应磁光效应置于磁场中的物体，受磁场影响后其光学特性发生变化的现象称为磁光效应。磁光效应本质上是因为材料具有自发磁化特性。磁光法拉第效应磁光克尔效应磁致双折射效应光磁效应2021/6/163251846年法拉第发现平面偏振光(直线偏振光)通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为磁光法拉第效应，或称磁致旋光效应。原因：物质内部原子或分子中的电子在强外磁场作用下引起的旋进式运动所致。磁光法拉第效应磁光法拉第效应一束偏振光透过置于强磁场中的物质时，若磁场方向

253、与光束平行，则光偏振面的旋转角可表达为：其中：其中： - - 偏振光旋转角度偏振光旋转角度 V V- - 维尔德（维尔德（VerdetVerdet）常数）常数 B- B- 磁感应强度磁感应强度 L- L- 样品长度样品长度1-62021/6/16326克尔发现照射到强电磁铁表面上的直线偏振光反射时，其偏振面偏转角度随磁场强度而变化，这种现象称为磁光克尔效应。磁光克尔效应磁光克尔效应法拉第效应与克尔效应虽同是磁与光之间的物理效应，但二者的用法不同。当实验光对磁光敏感功能材料具有较好的穿透特性时，可应用法拉第效应制成敏感元器件；当实验光不能穿透所用磁光材料，而只能在材料表面反射时，则只能设法利用磁

254、光克尔效应制成相应的敏感元件。2021/6/16327双折射率与磁场强度关系可表达为：1-7K为为科顿-木顿常数。原因：分子在强外磁场作用下产生定向排列所致。磁致双折射效应磁致双折射效应：在强磁场作用下，一些各向同性的透明磁介质呈现出双折射特性，这一现象称为磁致双折射效应，又称科顿-木顿效应。光磁效应：光磁效应：物质受到光照后磁性能（如磁化率、磁晶各向异性、磁滞回线等）发生变化的现象称为光磁现象。原因：光使电子在二价和三价铁离子间发生转移从而产生磁性现象。磁光材料磁光材料磁光材料磁光材料磁光材料是在可见和红外波段具有磁光效应的光学功能材料。它是随着激光和光电子学技术的兴起与需要而发展起来的。磁

255、光材料要求：维尔德系数大，光损耗系数小。各向同性、不存在结构因素产生的双折射、具有优良的物理、化学稳定性能。磁光材料主要分为晶体材料、玻璃材料和液体材料三种。2021/6/16328亚铁磁性石榴石、尖晶石铁氧体、正铁氧体、钡铁氧体、二价铕的化合物、铬的三卤化物和一些金属，其中亚铁磁石榴石研究得比较多。晶体材料晶体材料特重铅火石玻璃、磷酸盐玻璃、硅硼酸盐玻璃、硼酸盐玻璃、硫属化合物玻璃等。优点：成本低、易于获得大块、不同形状的器件。玻璃材料玻璃材料水、丙酮、氯仿、苯等。液体材料液体材料利用材料的磁光效应可制成许多磁光器件如磁光调制器、光隔离器、旋转器、环行器、相移器、锁式开关、Q开关等快速控制激

256、光参数器件，也可用于激光雷达、测距、光通信、激光陀螺、红外探测和激光放大器等系统的光路中。高功率激光系统中，为了防止光学系统中的光反馈对激光器和其它光学元件产生破坏，光隔离器是必需的元件。法拉第光隔离器是一种“无源、非互易”光学装置，它利用法拉第效应隔离光学系统中的反馈光，保持光源系统稳定，有效地消除激光源的噪声。它能使正向传输的光无阻挡地通过，同时能保护激光器免受光学系统中反馈光的破坏，这使得法拉第光隔离器成为当代激光系统中的关键元件。磁光材料磁光材料应用应用2021/6/16329v绪论绪论v光电子材料基础光电子材料基础v信息传感材料信息传感材料v信息存储材料信息存储材料v信息传输材料信息

257、传输材料v信息显示材料信息显示材料v信息处理材料信息处理材料光学功能材料总复习光学功能材料总复习2021/6/16330v绪论绪论了解了解信息技术定义、分类信息技术定义、分类了解材料的重要性和信息材料的发展状况了解材料的重要性和信息材料的发展状况v光电子材料基础光电子材料基础重点重点半导体光学性质半导体光学性质激光的基本原理和特性激光的基本原理和特性激光器的组成激光器的组成激光材料激光材料难点难点激光的基本原理激光的基本原理各种激光的能级跃迁各种激光的能级跃迁 基本概念：自由载流子吸收、杂质吸收、激子吸收、自发辐射、受激吸收、受激辐射、粒子数反转、泵浦（激励）、激光工作物质、禁带宽度、费米能级

258、、自终止跃迁方式等。 理解半导体的光学性质 了解激光器的产生及国内外的发展历史。 理解激光产生的过程，掌握激光器必须的基本组成部分及各部分的作用，掌握激光的特性。掌握三能级系统和四能级系统的能级结构简图，理解粒子在两种能级系统中的跃迁过程。了解激光器的分类和激光工作物质的分类。掌握固体激光器的基本结构，了解固体工作物质的分类和泵浦方式，了解固体激光工作物质的构型。了解常用的几种激光器，了解激光材料的制备方法，了解激光器的应用。2021/6/16331信息传感材料信息传感材料重点重点热敏传感材料力敏传感材料光敏传感材料难点难点各种传感器的工作原理各种传感器的工作原理 基本概念：传感器、电阻-应变

259、效应、压阻效应、压电效应、热电效应、热释电效应、外光电效应、内光电效应、光电导效应、本征光电导、非本征光电导、光生伏特效应、霍尔效应等。 了解传感器的定义、组成和分类。 理解并掌握电阻应变材料的原理、结构和相关材料，了解半导体压阻材料和压电材料的工作原理。掌握热电偶的工作原理，几个基本定律。掌握半导体热敏电阻工作原理，分类及相关材料。了解热敏传感材料分类，双金属温度计工作原理，热释电传感器工作原理。掌握各种光电效应和光电探测器件，了解各种半导体探测器材料。理解并掌握CCD的基本结构、功能和工作过程。掌握磁敏传感材料、气敏传感材料、湿敏传感材料工作原理，了解光纤传感器和生物传感器工作原理2021

260、/6/16332v信息存储材料信息存储材料难点难点各种存储材料的存储原理重点重点各种存储材料的存储原理 基本概念：磁化曲线、磁滞回线、磁泡、巨磁电阻效应。 掌握磁存储工作原理和磁存储系统的组成，了解几种磁存储材料。 了解半导体存储器分类，掌握可擦除可编程ROM的工作原理。了解光存储器分类，掌握CD-ROM制作过程和读盘原理，了解各种一次型光盘存储介质和记录方式了解MO磁光盘和PC相变盘的写入、读出和擦除原理 基本概念：激光调制、光调制材料、半波电压、磁致旋光效应、磁光克尔效应、磁致双折射效应、光磁效应、声光效应。 了解激光调制概念、分类。 掌握两种电光效应，了解两种电光效应对材料的要求。掌握各

261、种磁光效应的概念，了解磁致旋光效应与磁光克尔效应的区别。了解声光效应中的布拉格衍射和拉曼-纳斯衍射效应。了解电光材料、磁光材料、声光材料的基本要求及其种类。v信息处理材料2021/6/16333信息传输材料信息传输材料重点重点光纤中光的传输原理光纤的传输特性石英光纤的制备工艺过程，传输特性难点难点光纤中光的传输原理光纤的色散特性光纤的损耗特性 基本概念：光纤尺寸、数值孔径、相对折射率差、归一化频率、截止波长、模式色散、材料色散、波导色散、极化色散、本征吸收、瑞利散射等。 了解光纤的发展历史和优缺点。 了解光纤的结构掌握光纤中光传输的全反射原理。理解光纤的色散特性：几种色散类型的定义、区别和对光

262、纤色散的影响程度。理解光纤的损耗特性：光纤损耗的分类及各种损耗的形成机理，减少光纤损耗的途径等。了解光纤的分类：折射率分布、传输模式数目、传输光的偏振态和光纤材料理解并掌握石英光纤的制备工艺、特点、色散和损耗特性。了解塑料光纤的特点及制备工艺。了解红外光纤、液芯光纤等几种光纤的特性了解通信电缆材料和微波电缆材料2021/6/16334重点重点发光机理及特点发光机理及特点各种显示器件的结构和工作原理各种显示器件的结构和工作原理难点难点各种显示器件的结构和工作原理各种显示器件的结构和工作原理v信息显示材料信息显示材料 基本概念：分立发光、复合发光、发光效率、余辉时间、场致发光、阴极射线致发光、等离

263、子体、溶致液晶、热致液晶、向列型液晶、近晶型液晶、胆甾型液晶、电光效应。 掌握分立发光和复合发光的概念，了解发光特性。了解阴极射线的本质，掌握阴极射线致发光的过程。掌握CRT结构、发光过程、工作原理，掌握VFD的结构和发光原理，FED的发光机理及特点掌握电致发光的概念，掌握粉末电致发光器件和薄膜电致发光器件的结构。掌握LED工作原理，了解LED发光的特点掌握OLED的结构、发光机理和发光过程了解等离子体的概念，掌握等离子发光原理和等离子体发光器件的基本结构。掌握液晶分子的结构特点和液晶的分类，了解几种液晶材料。了解液晶显示的优缺点。2021/6/16335 结束语结束语若有不当之处，请指正，谢谢！若有不当之处，请指正，谢谢！