《光学功能材料》课件

光学功能材料光学功能材料是现代科技发展的关键支撑，广泛应用于信息、能源、医疗等领域课程介绍与学习目标掌握光学材料基础理论了解典型光学材料特性学习材料制备表征方法理解光学材料应用领域光学功能材料的定义和分类按功能分类按结构分类按组成分类•透明材料•晶体材料•无机材料•发光材料•非晶材料•有机材料•非线性光学材料•薄膜材料•复合材料光学功能材料的发展历史古代时期1玻璃、水晶等自然材料应用世纪初219-20光学玻璃工业化生产世纪中期320晶体材料、光纤技术突破世纪421纳米光学材料、超材料兴起光学功能材料的重要性和应用领域信息技术能源领域光存储、显示器件关键材料太阳能电池、光催化材料通信领域生物医学光纤通信系统中的核心材料生物传感、医学成像材料光学基础知识回顾电磁波理论光的波粒二象性光学常数光是电磁波的一种形式既表现波动性又表现粒子性折射率、吸收系数波长决定光的颜色和性质不同现象下体现不同特性反射率、透射率光的性质和传播波动性粒子性传播速度频谱特性衍射、干涉现象光电效应、康普顿效应介质中传播速度变化不同波长光的特性光与物质的相互作用量子效应1光与原子能级跃迁吸收与发射2物质对光能量的转换散射与反射3光在界面的方向改变折射与透射4光穿过物质的路径变化折射和反射1斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂2全反射现象入射角大于临界角时发生3菲涅耳方程描述反射率与折射率关系4双折射晶体材料中光的分裂现象光的吸收和散射吸收散射光能转化为其他形式能量光在不均匀介质中方向改变比尔-朗伯定律透射描述光吸收强度与路径关系光穿过介质强度衰减透明光学材料高透明度可见光区域高透射率折射率控制精确控制光路设计低色散减少色差提高成像质量玻璃材料的光学性质石英玻璃铅玻璃掺杂玻璃微晶玻璃高纯度，紫外透过率高折射率，适合精密特殊元素掺杂，调控特殊热处理，兼具晶高光学光学性能体特性光学晶体材料单晶硅蓝宝石晶体方解石锂铌酸盐红外区域透明高硬度、耐磨损强双折射效应电光、声光效应显著半导体光电器件基底LED衬底材料偏振光学元件调制器材料光学塑料材料聚甲基丙烯酸甲酯聚碳酸酯PCPMMA•高抗冲击性•高透明度•耐热性好•加工性能好•安全眼镜材料•轻量化镜片材料环烯烃共聚物COC•低双折射•低吸水性•光学存储介质非线性光学材料非线性光学效应原理二阶非线性效应频率倍增、和频、差频三阶非线性效应四波混频、光学克尔效应双光子吸收同时吸收两个光子的过程受激拉曼散射光子与声子相互作用常见非线性光学材料及其应用材料类型代表材料主要应用铌酸盐晶体LiNbO₃、KNbO₃频率转换器硼酸盐晶体BBO、LBO紫外激光倍频半导体材料GaAs、AlGaAs光参量振荡器有机分子晶体MNA、NPP电光调制器光电功能材料光电转换-光能转化为电能电光转换-电能转化为光能光电调控光控制电信号或电控制光信号半导体光电材料

1.1eV硅带隙能量太阳能电池主要材料

1.42eV砷化镓带隙高效LED和激光二极管

3.4eV氮化镓带隙蓝光LED关键材料⁻秒10⁹响应时间现代光电探测器极限光电探测器材料硅基探测器锗基探测器化合物半导体可见光区域敏感近红外探测能力强InGaAs、HgCdTeCCD、CMOS传感器光通信接收器中远红外探测成本低、工艺成熟光谱探测范围宽夜视、热成像应用太阳能电池材料发光材料荧光材料吸收高能光子，发射低能光子磷光材料激发后长时间持续发光电致发光材料电场作用下发光热释光材料加热过程中释放储存能量发光无机发光材料稀土掺杂材料Eu²⁺、Tb³⁺离子掺杂氧化物硫化物荧光粉ZnS:Cu、ZnS:Ag铝酸盐荧光粉SrAl₂O₄:Eu²⁺,Dy³⁺长余辉材料量子点材料CdSe、InP核壳结构有机发光材料小分子材料聚合物材料12蒽类、芳杂环类化合物PPV、PFO导电聚合物金属有机配合物染料分子43铱、钌配合物香豆素、罗丹明染料量子点发光材料尺寸效应核壳结构应用领域粒径减小，带隙增大，发射波长蓝移提高量子效率，保护核心免受氧化高色彩饱和度显示器，生物标记显示材料高分辨率微米级像素材料色彩表现广色域发光材料能效提升低功耗发光机制柔性显示可弯曲基底材料液晶显示材料向列相液晶近晶相液晶铁电液晶•分子平行排列•分子层状排列•自发极化•TN型显示器•STN型显示器•响应速度快•响应速度较慢•对比度较高•三维显示应用材料OLED阴极层注入电子的金属电极电子传输层Alq₃等小分子材料发光层掺杂荧光或磷光染料空穴传输层TPD、NPB等芳香胺类材料阳极层ITO透明导电薄膜电子纸材料微胶囊电泳型扭转球型电润湿型带电黑白颗粒半黑半白微球色油与水相互作用外加电场改变位置电场下旋转电压控制颜色显示E-ink技术全彩色显示响应速度快光存储材料光盘存储材料700MB

4.7GB容量容量CD-R DVD有机染料记录层相变合金记录层年50GB100蓝光光盘理论寿命Ge-Sb-Te相变材料金属反射层隔绝氧气全息存储材料光敏聚合物光折变晶体光致变色材料暴露于干涉图样下LiNbO₃、SBN晶光照下可逆结构变改变折射率体化量子阱结构纳米尺度多层膜结构光纤材料石英光纤塑料光纤SiO₂基材料，低传输损耗PMMA材料，柔性好光子晶体光纤掺杂光纤周期性结构，特殊光学性能稀土元素掺杂，用于放大器光纤的工作原理入射光从一端入射到纤芯全反射纤芯与包层界面发生全反射传播光波在纤芯中波导传播输出光从另一端输出光纤材料的种类和特性光纤类型材料组成特点主要应用单模光纤纯芯径小，无模长距离通信SiO₂/GeO₂式色散掺杂多模光纤SiO₂基玻璃芯径大，多路短距离传输径传输掺铒光纤Er³⁺掺杂石英1550nm波段光放大器放大塑料光纤PMMA或氟柔性好，易加车载网络化聚合物工光纤通信应用骨干网络城域网超高带宽洲际海底光缆5G基站前传和回传网络接入网数据中心FTTH光纤到户服务器间高速互联光学薄膜材料金属薄膜氧化物薄膜氟化物薄膜硫化物薄膜Al、Ag、Au反射膜SiO₂、TiO₂、Al₂O₃MgF₂、CaF₂低折射率材料ZnS高折射率薄膜反射膜和增透膜高反射膜增透膜窄带滤光片交替高低折射率多层膜破坏反射条件法布里-珀罗腔结构激光腔镜λ/4光学厚度设计精确控制透过波段≥

99.9%反射率相位干涉原理DWDM通信应用滤光片和偏振片干涉型滤光片多层膜精确控制透过波段吸收型滤光片玻璃基体中添加特定吸收剂偏振片3聚合物拉伸排列或线栅结构光学功能涂层疏水涂层防刮涂层防指纹涂层纳米结构表面提高接触角硬质纳米颗粒增强机械强度氟化碳分子降低表面能光致变色材料有机光致变色材料无机光致变色材料复合光致变色材料•螺吡喃类•银卤化物•有机-无机杂化材料•二芳基乙烯类•二氧化钛•纳米复合材料•唑类化合物•钨青铜化合物•多层结构材料光致变色原理和机制热恢复色谱改变热能促使结构回到初始状态结构变化吸收谱带位移光激发分子键断裂或重组吸收特定波长光子光致变色材料的应用变色镜片智能窗户阳光下自动变暗光强调节透光率安全防伪光学存储紫外光下显示隐藏图案可擦写光盘技术光学开关材料电光晶体热光材料磁光材料外加电场改变折射率温度控制光学性质磁场旋转偏振平面液晶材料电场控制分子取向光学传感材料表面等离子体材料金、银纳米结构荧光传感材料有机染料、量子点光纤传感涂层聚合物、溶胶-凝胶材料光致变色探针响应特定分析物的变色分子生物光学材料生物荧光蛋白生物相容光学材料生物光子学结构GFP、RFP水凝胶生物光子晶体基因表达标记隐形眼镜材料结构色现象细胞成像人工晶状体蝴蝶翅膀、孔雀羽毛仿生光学材料蛾眼结构结构色莲叶效应生物启发抗反射表面微纳结构替代色素产生色彩表面微结构实现超疏水功能纳米光学材料等离子体光学材料⁻米10⁹特征尺寸纳米级金属结构、Au Ag常用材料贵金属纳米颗粒倍10场增强表面等离子体共振λ/10突破极限亚波长尺度操控光超材料和光学超材料隐身材料超透镜控制光绕过物体传播负折射率突破衍射极限成像人工设计结构同时具有负介电常数和负磁导亚波长单元周期排列率光学功能材料的制备方法化学合成薄膜沉积溶液法、溶胶-凝胶法PVD、CVD、溅射热处理工艺晶体生长退火、淬火、扩散提拉法、坩埚下降法光学功能材料的表征技术光学功能材料的性能评价性能参数测试方法应用要求透过率/反射率分光光度计透镜材料92%折射率椭偏仪、阿贝折射仪精度±

0.0001色散特性棱镜法、干涉法消色差设计响应时间时间分辨光谱光开关光学功能材料的未来发展趋势多功能集成一材多能，协同效应微纳结构设计原子精度控制材料结构绿色可持续环保材料替代有害元素智能响应自适应、自修复功能新型光学功能材料研究进展二维材料光学应用石墨烯、过渡金属二硫化物拓扑光子学材料光子拓扑绝缘体钙钛矿光电材料高效发光与太阳能应用量子光学材料单光子源、量子计算基底光学功能材料在信息技术中的应用全光计算突破电子计算速度瓶颈光学存储高密度数据长期保存光交换3高速光学路由器光学功能材料在能源领域的应用高效光伏材料提高太阳能转换效率人工光合作用光催化分解水产氢节能照明高效固态照明解决方案光学功能材料在生物医学中的应用生物传感光动力疗法光学成像荧光标记诊断试剂光敏剂靶向杀死肿瘤细胞高分辨率无创医学成像光学功能材料的产业化和市场前景总结与展望基础理论突破制备技术革新应用领域扩展•新型光学现象发现•原子级精确控制•量子信息技术•理论计算方法进步•大规模低成本生产•柔性可穿戴设备•材料设计新思路•绿色制造工艺•新型智能光学系统。