功能高分子材料在光电领域的 应用
概
论
随着新一代显示技术的普及， LCD、 PDP、OLED等这些新兴的名词逐渐被人们 所熟悉。这也标志有机高分子功能材料在 光电领域中有着不可替代的地位。 当然，以激光器的诞生、光纤的普及， 使得通信进入了光的时代。在这场革命中 有机高分子材料同样不甘寂寞，塑料光纤、 非线性光学有机材料说明这些。
了光纤通信的时代。
光通信
有机光纤的历史
有机光纤的研究和生产几乎与石英光纤同 时进行 1964美国杜邦公司首先开发聚甲基丙烯酸 甲脂（PMMA）为纤芯的有机光导纤维 目前有机光纤（塑料光纤）在光纤产品中 占有一席之地。 随着，FTTH的普及，有机光纤的需求会越 来越大，甚至可能超过玻璃光纤。
未来的展望
NLO聚合物适合干什么？ 二次谐波 通讯 调节器 多路驱动器 中继器 光信号处理 神经网络 空间光调制器件
未来的展望
NLO聚合物适合干什么？
三次谐波
数字式 （光计算）
光双稳态 光开关
全光过程
信号处理 并行 串行
非线性光学在光通信中应用
光信头处理
1
A产生的相位 B产生的相位 光脉冲输入A 光脉冲输入B
目前高分子非线性材料发展的水 平
目前的非线性光电市场中，无机占77%，其余都是半导体 材料，这些材料与si一样都是对于红外区域是透明的。 但是有机高分子材料发展迅速，无论是在基础研究还是在 商品化水平。 目前：发展的聚合物的光电效应性能及SHG已与LiNbO3 相同，而主要有待解决的就是发展高度透明膜及保持取向 电场极化的稳定性。对全光过程及其他的应用方面，如非 共振型x3至少改善了3个数量级之后才能使用。 不管如何，目标明确后，必然加速了发展新概念及 探求具有更高非线性而且低吸收系数材料的努力。
光导塑料纤维
普通光纤的简介
传统光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂 的工艺拉制而成。 光纤中心部分(芯Core)＋同心圆状包裹层(包层Clad) ＋涂覆层 树脂被覆层 包层 芯
特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的 界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。
光纤之路
1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通 信开始从理想变成可能。 1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法―CVD法（气相沉 积法），使光纤损耗降低到1分贝／公里。 1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达 100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正 实用的激光器。 1977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速 率为45Mb/s。 －－低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创
液晶的分类：
向列型液晶
棒状分子都以相同的方向排列，每个分子在长轴方向比较自由的移动，不存在层状结 构
近晶型液晶
棒状分子排列成层状，分子相互平行排列与层大致垂直
胆甾相液晶
分子在层面内与向列型液晶一样呈平行排列但是长轴取向由少有些差异，整个液晶 形成螺旋状。
常见的液晶分子
早期的液晶大多是刚性棒状的分子 中心桥键的结构与液晶性能密切相关
传统的非线性光学材料
.磷酸二氢钾(KDP) 钒酸钇(YVO4) 钽酸钾(KTaO3） 磷酸二氘钾(KD*P) 白宝石(α-Al2O3) LiNbO3 近来出现新的转换效率高的优质 的非线性光学材料 钛酸钡系列晶体 KTP(KTiOPO4) BBO(BaB2O4) LBO(LiB3O4)
到目前为止,实用的非线性光学材料产品都 是无机材料，主要是铁电体及半导体。
响应速度快，低于10皮秒 非常大的共振光学效应 低的直流介电常数，使器件要求小的驱动电压； 吸收系数低，仅为有机晶体及化合物半导体的万分之一； 优良的化学稳定性及结构稳定性；系统不需要环境保护及 低温设施； 激光损伤阀值可高达GW/cm2； 机械性能好且易于加工的等等。使有机高分子可加工为各 种不同的形式，例如均一的柔软的膜，液晶聚合物，聚合 物共混物及合金，分子复合物，纤维，块状物，LB膜。 以上形式有利于控制尺寸及控制上折射系数。
液晶着色原理图
液晶工作原理图
液晶材料在其它光电领域应用


高速光功能器件
光快门
非线性光功能器件
特殊的液晶材料DOMAMBC也存在倍频 效应，与YAG激光产生了2阶非线性效应。 分立元器件 部分液晶材料具有较大的介电常数，可 以被用来制作大容量小型的电容。
电致发光材料及OLED
OLED的市场前景
有机闪烁体
有机的闪烁体主要有蒽、联苯等有机 体。 目前发展的塑料荧光材料采用高聚物 和荧光物质组成，其中高聚物在塑料闪烁 体中起着溶解荧光物质、吸收射线能量、 传递能量和基质作用。
有机荧光材料的特点
目前塑料荧光体主要有聚苯乙烯、聚甲 苯乙烯、聚二甲基苯乙烯、聚甲基丙酸甲 脂、环氧树脂等。 这些高分子有机荧光材料特点：发光衰 减时间短、光自吸收小、容易加工成型。
陽極 保护层 蓝滤色层 绿滤色层
OLED的特点
OLED从理论的角度来说可以提供真正像纸 一样薄的显示器。而且是柔性的，可以嵌 在衣服首饰等等。 低功耗、光视角、响应速度（亚微秒级）， 以实现大面积全彩显示。 结构相当简单。
日本2002年政府启动政府基金支持开始60英寸OLED研发
OLED的产品
液晶材料
什么叫液晶？
液晶(liquid crystal) 是一种在一定温度范围内呈现不同于
固态、液态的特殊物质形态，是一种介于固 体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。
液晶的历史。
1888奥地利植物学家莱尼兹尔发现。 1889德国物理学家Lehmann观察到了液晶现象，并 正式命名。 1922法国人菲利德尔将液晶分为三种基本类型也就 是现在人们所熟知的，向列型，近晶型及胆笫村 1963威廉姆斯发现向列液晶中的畴结构 1968美国的RCA公司发现了向列型液晶通电后动态 散射模式，并正式提出液晶的电子显示的概念。 1985出现了STN液晶 目前：广泛采用的TFT驱动的STN液晶。
无中心桥键，对光、电具有很高的稳定 性，粘度特别低
液晶材料的基本特性
液晶具有和光学单轴晶体同样的各向 异性的折射率，具有两个不相同的主折射 率。施加电场后，液晶的排列方向随之改 变，并改变了液晶光学性质。
液晶的扭曲效应
常见的液晶显示器件
液晶显示器的原理图
垂直线性偏光器 玻璃薄片 透明X电极 校准层 液态晶体流 校准层 透明Y电极 玻璃薄片 水平线性偏光器 DSTN（dual-scan twisted nematic，双扫描交错液晶显 示） ，被动矩阵（无源矩阵） TFT（thin film transistor，薄膜 晶体管显示），积极矩阵（有 源矩阵）
FTTH
展望
1。降低光损耗和增加传送波长宽度 杜邦公司开发的氘代甲基丙烯酸酯的光纤研究，已经将20db/km降到 比较完美的境界。并使有机光导纤维最佳工作波长延伸到了870nm， 使用目前常规使用的镓铝砷激光器和发光二极管的820nm波长，接近 石英光纤通讯水平。 2。 提高有机光导纤维热性能 有机光纤热性能往往影响它们的性能，这个方面是有机光导纤维将 来能否得到进一步发展的关键 3。有机光导纤维的开发利用 随着有机光纤的性能的改善，其应用的领域也在不断的开拓，有室内 装饰向通讯领域发展。目前宇宙，军事，空间等高科技领域都找到了 潜在的发展。（保密性能好、不受干扰、无法窃听） 4。总之，有机纤维是渗透多学科的研究结晶，他不仅带动化学科学的 发展，还在光电领域开拓新的领域，在整个光电科学领域中将产生革 命性变化。
塑料光纤的特点
有机光纤一般传送蓝光较优，石英光纤传送红外 光较优 能够制成较粗纤经的纤芯，数值孔径大幅度提高 信息传输容量，耦合损耗低，机械性能良好，能 够承受反复的弯曲和震动，加工方便，只要普通 的剃须刀片就能提供近乎精细研磨和抛光的端面， 适合现场安装，系比重比较小（与水相当，石英 比重2。4左右），减少系统的重量 价格低廉仅为石英的1/10 耐辐照性能
非线性光学材料实用化的几个基本条件：
非线性极化率较大，转换率高 光损伤阀值高 光学透明而且均一的大尺寸晶体 在激光波段吸收比较小； 易产生相位匹配 化学及热稳定性较好，不易吸潮 制备工艺简单，价格便宜
遗憾的是目前还没有任何一种有机非线性光学晶体全部满足要求
高分子体系的特点
有机非线性光学材料
非线性光学机理
非线性光学效应是指强相干光（如激 光）在非线性介质中传播时，光波与物质 分子相互作用，其电场引起介质产生的非 线性极化效应。
非线性光学的重要价值
1960年激光器诞生以来，非线性光学得到 了飞跃发展。 以非线性光学为背景的光信息技术有许多 优点：并行性，高频率，高带宽，高密度， 及耐电磁波杂音等。 21世纪高速度传输， 处理及运算大容量信息，有赖于非线性光 学在光技术领域的应用。 非线性光学效应对于发展全面固体光技术 及其他光技术有着许多非常重要的作用.
荧光体主要应用
闪烁探测器
利用闪烁体发出的荧光，经过光电倍 增管在阳极等到了电压脉冲，测定其脉冲 变化，就可以设计出闪烁计数器，闪烁能 谱仪等多种闪瑟福第一次用肉眼x粒子撞击荧光屏产生 了闪烁光，但是那是有机闪烁体； 震惊世界的弱相互作用宇称不守恒定律的 实验证明，就是由华裔吴健雄女士利用闪 烁实验而完成的。
常用的OLED材料
柯达公司采用的有机小分 子结构材料。 采用的工艺流程是蒸镀的 方式。 剑桥所采用的有机大分子 结构。 采用的工艺流程是甩胶的 方式。
除了光致发光层外，电流注入层和空穴注入层都 广泛采用高分子有机化合物
有机高分子闪烁体材料
闪烁体材料
在辐射的作用下能够发出短暂荧光或 者磷光的物质 荧光和磷光材料主要区别在于跃迁辐 射的机理不同。