光电子行业调查报告 .docx
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1、光电子行业调查报告1、光电子材料按其功能,一般可分为以下7类:(l)发光(包括激光)材料;(2)光电显示材料;(3)光存储材料;(4)光电探测器材料;(5)光学功能材料;(6)光电转换材料;(7)光电集成材料。其中,发展重点将主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料等.。2.激光晶体材料1960年T.H.Maiman研制胜利了世界上第一台红宝石(Cr3+:Al2O3)脉冲激光器。随后,人们对激光晶体材料进行了广泛的探讨,探讨的主要目的是收集有关激光晶体的光谱和受激放射特性,确定原委哪些类型的激光晶体能提高激光效率。为此,大量合成了一些有科学和应用价值的有
2、序化合物和无序化合物晶体以作为激光基质,然后再掺入激活离子。当前激光晶体材料向着大尺寸、高功率、LD泵浦、宽带可调谐以及新波长、多功能应用方向发展。激光晶体中以Nd:YAG最成熟,应用最广,产量最大。2.1 Nd:YAG及Yb:YAG晶体材料得到广泛应用的钇铝石榴石(YAG)是一种综合性能(包括:光学、力学和热学)优良的激光基质。Nd:YAG称为掺钕钇铝石榴石(Nd3+:Y3Al5O12,Nd:YAG),是于1965年前后从数百种激光新晶体中优选出来的。20世纪70年头在国际上完成了Nd:YAG晶体生长条件的探讨,80年头研制胜利的较大尺寸的Nd:YAG晶体走向工业生产,90年头采纳自动化晶体
3、生长设备,批量生产出70mm100mm大尺寸Nd:YAG晶体,使得采纳单棒和多棒串联组合体系的千瓦级Nd:YAG激光器得到了发展。因为Nd:YAG具有较高的热导率和抗光伤阈值,同时3价钕离子取代YAG中的钇离子无须电荷补偿而提高激光输出效率,使它成为用量最多、最成熟的激光材料。此外,为了找寻新的激光波长,对YAG基质进行了Er,Ho,Tm,Cr等的单独或组合掺杂,获得了数种波长的激光振荡。Nd:YAG是志向的四能级激光器。引上法制备的Nd:YAG因单晶激光棒的增益高、机械性能好而得到广泛应用。Nd3+的离子半径为0.104nm,Y3+的离子半径为0.092nm,因为空间位置效应,YAG晶体中Y
4、3+不易被Nd3+所取代,故Nd3+在钇铝石榴石中的分凝系数比较小,约为0.150.20。Nd3+浓度的集中使该区域形成化学应力,导致中心区域的折射率高于四周区域的,成分的差异也引起相应热膨胀系数的差异。此外,用提拉法生长单晶周期长(约几周),晶体的生长方式限制了晶体的生长尺寸,也限制其潜在的输出功率。长期以来,人们始终在寻求替代材料,如:含钕玻璃或微晶玻璃等,但其性能均不及Nd: YAG单晶材料。自上世纪60年头,人们发觉某些致密透亮多晶材料(陶瓷)在某些性能上与同材质单晶材料相近,甚至可以取代单晶材料。由于陶瓷制备技术的优点,克服单晶材料的一些缺点,使产品不仅具有尺寸大,生产效率高,成本低
5、的特点,而且掺钕量可远高于单晶体的,使其激光输出功率大。用新工艺制造出的陶瓷激光介质,因其散射损耗小和高效的激光振荡而引起广泛关注。因此,Nd:YAG陶瓷有望取代单晶材料而成为大型高功率固体激光器的工作物质。在1965年贝尔试验室首次获得了Yb:YAG激光,但由于闪光灯泵浦条件下Yb:YAG晶体的高阈值和低转换效率,并未引起人们的重视。1971年采纳GaAs:Si发光二极管为泵浦源,在77K温度下获得了Yb:YAG在1029nm的脉冲激光输出,峰值功率达0.7W,表明此类晶体的激光性能主要取决于泵浦条件。80年头末至90年头,随着InGaAs激光二极管性能的发展和成本的降低,起先寻求适于激光二
6、极管泵浦条件下的激光晶体,而掺Yb3+激光材料由于具有以下特点而受到了广泛的重视。(1) Yb3+离子的电子构型为4,仅有两个电子态,即基态2F7/2和激发态2F5/2,在配位场作用下产生Stark分裂后,形成准三或准四能级的激光运行机构。(2)Yb3+离子汲取带在9001000nm波长范围,能与InGaAs半导体泵浦源(8701100 nm)有效耦合,且汲取带较宽,对半导体器件温度限制的要求有所降低。(3)泵浦波长与激光输出波长接近,量子效率高达90%。(4)由于量子缺陷较低(8.6%),材料的热负荷较低(11%),仅为掺Nd3+同种基质材料的1/3。(5)不存在激发态汲取和上转换,光转换效
7、率高。(6)在相对较高的掺杂浓度下也不会出现浓度猝灭。(7)荧光寿命长,在同种激光材料中为Nd3+离子的三倍多,能有效储存能量。目前已获得千瓦级连续激光输出的是Yb:YAG晶体,其YAG基质具有优良的光学、热力学、机械加工性能和化学稳定性,特殊适合于作为激光二极管泵浦条件下的高功率激光输出,在激光切割、钻孔以及军用领域具有重要应用价值。2.2 金绿宝石激光材料金绿宝石(Cr3+: BeAl2O4)是一种新型基质固态激光材料,用闪光灯泵浦在室温下能放射701818纳米的整个波长范围的激光。这个区间增益是由于电子跃迁到电子振动带而产生的。另外,人工金绿宝石激光在R线(680.4纳米)的放射截面约为
8、红宝石(R线6943纳米)的十倍, Nd :YAG(1064纳米)的三分之一。在人工金绿宝石中,泵浦放射激光过程的闪光灯的辐射是在中心位于420和590纳米的带上被汲取。在这个波长区域的激发态汲取相当于激光跃迁上能级中的离子汲取。随着激发态汲取,离子无辐射地衰减到激光跃迁的上能级。因此激发态的汲取导致泵浦光转化为热能的干脆损耗。金绿宝石晶体的光学性能和机械性能都类似于红宝石,而且还具备作为优良的激光基质的很多物理的化学的特性和机械性能,如硬度,强度,化学稳定性以及高的热导率(为红宝石2至3倍和YAG的2倍)等,从而使金绿宝石激光棒在高功率泵浦下不产生热损伤。在大多数条件下最大功率可达千瓦级。一
9、支激光棒每厘米长度可承受的最大功率为0.61.3千瓦。金绿宝石激光晶体应用于激光器中结构稳定,因而有着广泛的应用前景,将会有更大的发展。2.3 祖母绿晶体材料最近几年,随着高功率LD的快速发展,探究适合LD泵浦的新型激光晶体和重新评价原有激光晶体成为目前激光领域的重点探讨内容之一。祖母绿(Cr3+:Be3Al2Si6O18)晶体是继金绿宝石(Cr3+:BeA12O4)晶体之后发觉的又一种具有宽带辐射的优秀可调谐激光材料,其良好的理化性能、较高的光转换效率与量子产率以及其近红外激光经过倍频可获得目前较好用的紫外激光输出等优点,使其在众多含Cr3+激光晶体中具有较大的吸引力。目前,随着祖母绿晶体新
10、的生长技术探讨胜利,获得光学级的祖母绿晶体已经成为可能,而高功率LD阵列技术的发展、也必将进一步推动祖母绿晶体激光器的发展。2.4 其它晶体材料近些年来,可调谐激光晶体是探究新型激光晶体的一个热点,1982年发觉了钛宝石(Ti3+:Al2O3)宽带可调谐激光晶体,此种晶体调谐波长范围宽,导热性能好,室温下可实现大能量、高功率脉冲和连续宽带可调谐激光输出,在军工、工业和科技等领域有广泛的应用,从而将可调谐激光晶体的探讨推向高潮,随后发觉了一系列新的可调谐激光晶体,诸如:Cr3+:BeAl2O4、Cr3+:Mg2SiO4、LiCaAlF6等晶体。20世纪80年头后期,作为泵浦源的激光二级管(LD)
11、晶体,诸如:GaAlAs、InGaAs、AlGalnP等半导体激光晶体的飞速发展,LD泵浦晶体激光器具有高功率、高质量、长寿命、小型化以及导致激光器实现全固化等优越性,掀起了对探究新型LD泵浦的高效率小型化激光晶体的热潮,在此探讨领域中,掺Nd3+激光晶体的探讨,仍旧是最活跃和最重要的一项探讨课题,当前性能较好的LD泵浦的掺Nd3+的激光晶体。另外,为了适应激光器多种应用,近年来还开展了多波长激光晶体,如Nd:KGa(WO4)2等晶体;新波段激光晶体,如Er:YAP、Ho:YAG等晶体;自激活激光晶体,如NAB与NdP5O14等晶体,以及自倍频激光晶体(NYAB),Cr: Nd:GdCaO(B
12、O3)3和上转换激光晶体(Ba2ErCl7)等等的探讨,均取得了一些成果。3.红外探测器材料红外技术是在40年前起先应用到防卫系统上的。红外光电探测器过去所用的材料主要是铅盐。到1970年,诸如InSb和HgCdTe之类的半导体起先在红外技术中占居主导地位,成了制作光导器件的主要材料。这些材料以整体形式生长,它们主要用于制作单个探测器元件。在七十年头,发展了新的生长技术,即液相外延(LPE),该技术成了制作镶嵌式列阵中的光伏探测器的基础。八十年头初期,美国圣巴巴拉探讨中心(SBRC)首先发展了同质结,以后为了获得声望又发展了异质结,这些都是光伏器件的主要体系结构。到八十年头中期,随着焦点向其次
13、代光电探测器列阵(光伏型)转移,材料、材料结构、材料生长技术以及探测器体系结构起先发生重大改变。这些改变包括诸如分子束外延(MBE)和金属有机化学汽相淀积(MOCVD)之类的新的生长技术、诸如量子阱光导体之类的先进的材料结构、诸如用于非致冷探测的多色集成光电探测器和微热辐射计之类的新的器件结构以及先进的探测器和材料结构设计手段。用于在120m红外光谱区进行红外探测的材料和材料混合体种类许多。表1列出了这些材料以及它们的光谱范围。大约在10年前出现的最早的新材料是HgZnTe(HZT)。这是由Arden Sher等人首先提出的。同HgCdTe相比,HZT材料的结构更坚实,但它却具有与HgCdTe
14、特别相像的电学和光学特性。在八十年头中期,美国圣巴巴拉探讨中心依据Spicer-Sher-Chen的HgCdTe合金的键稳定性模型,用液相外延长成了HZT。由于材料学方面的一些问题,HZT最适合用水平液相外延从相位图的Te角处进行生长,这样便不会具有最佳的HgCdTe器件中所用的从Hg角处生长的垂直液相外延层的挠性。这个生长难题始终限制着HgZnTe在红外焦平面技术方面的应用。到九十年头,出现了一组新的适用于红外但基于-V族材料的合金半导体。美国圣巴巴拉探讨中心的Sher小组首次预报了InTlP材料。这些材料是用非平衡生长技术:分子束外延、金属有机化学汽相淀积以及金属有机分子束外延生长的。它们
15、被用于制作集成焦平面列阵,例如,在这种集成焦平面列阵中,可以将InTlP探测器列阵干脆生长在包含读出和多路传输器功能的InP衬底上。目前HgCdTe依旧占居着红外探测器材料的主导地位。由于HgCdTe体晶生长受到组分分凝、Hg压难于限制等客观条件的限制,使体晶材料在单晶面积、组分匀称性和结晶完整性等方面已不能满意红外焦平面探测器件发展的须要,而HgCdTe外延(LPE、MBE、MOVPE等)因其生长温度低,克服了体晶熔体生长的缺点,并能干脆获得适合器件的结构(如原生双色、pn结、表面钝化等)。因此,外延技术已成为HgCdTe晶体探讨的方向。CdZnTe是一种由CdTe和ZnTe组成的膺二元化合
16、物半导体材料,熔点因Zn含量不同,在10921295改变。由于生长温度高、热导率低、离子性强、堆垛层错能低、机械强度小等不利于晶体生长的因素,因此,要生长符合衬底要求且重复性好、成品率高的CdZnTe晶体是非常困难的。但由于其在军事和民用领域的重要应用价值,一些西方发达国家二十多年来从未间断过对CdZnTe晶体的探讨,晶体性能不断提高,并在一系列大面阵红外探测器、x/射线探测器、光电调制器、高效太阳能电池等领域得到了较好的应用。大面积高匀称性HgCdTe外延薄膜及大尺寸CdZnTe衬底材料仍是2022年前红外探测器所用的主要材料。4. 液晶材料显示用液晶材料是由多种小分子有机化合物组成的,这些
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