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光电材料

2020-04-15 17:10光学美白 人已围观

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  声明:百科词条人人可编辑,词条创建和修改均免费,绝不存在官方及代理商付费代编,请勿上当受骗。详情

  光电材料是指用于制造各种光电设备(主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等)的材料,主要包括红外材料、激光材料、光纤材料、非线性光学材料等。下面主要介绍一下红外材料、激光材料及其在军事领域的应用。

  包括硫化铅、锑化铟、锗掺杂(金、汞)、碲锡铅、碲镉汞、硫酸三甘酞、钽酸锂、锗酸铅、氧化镁等一系列材料,锑化铟和碲镉汞是军用红外光电系统采用的主要红外探测材料,特别是碲镉汞(Hg-Cd-Te)材料,是当前较成熟也是各国侧重研究发展的主要红外材料。它可应用于从近红外中红外、到远红外很宽的波长范围,还具有以光电导、光伏特及光磁电等多种工作方式工作的优点,但该材料也存在化学稳定性差、难于制成大尺寸单晶、大面积均匀性差等缺点,Hg-Cd-Te现已进入薄膜材料研制和应用阶段,为了克服该材料上述的缺点,国际上探索了新的技术途径:

  (1)用各种薄膜外延技术制备大尺寸晶片,这些技术包括分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)和金属有机化合物气相淀积(MOCVD)等。特别是用MOCVD可以制出大面积、组分均匀、表面状态好的Hg-Cd-Te薄膜,用于制备大面积焦平面阵列红外探测器。国外用MOCVD法已制成面积大于5cm2、均匀性良好、Δx=0.2±0.005、工艺重复性好的碲镉汞单晶薄膜,64×64焦平面器件已用于型号系统、512×512已有样品。

  ①Hg-Mn-Te和Hg-Zn-Te,美国和乌克兰等国从80年代中就开展了这方面的研究,研究表明,Hg1-xZnxTe和Hg1-x CdxZnyTe的光学特性和碲镉汞很相似,但较容易获得大尺寸、低缺陷的单晶,化学稳定性也更高。

  Hg1-xMnxTe是磁性半导体材料,在磁场中的光伏特性与碲镉汞几乎相同,但它克服了Hg-Te弱键引起的问题。

  ③Ⅲ-V超晶格量子阱化合物材料,可用于8~14μm远红外探测器,如:InAs/GaSb(应变层超晶格)、GaAs/AlGaAs(量子阱结构)等。

  ④SiGe材料,由于SiGe材料具有许多独特的物理性质和重要的应用价值,又与Si平面工艺相容,因此引起了微电子及光电子产业的高度重视。

  SiGe材料通过控制层厚、组分、应变等,可自由调节材料的光电性能,开辟了硅材料人工设计和能带工程的新纪元,形成国际性研究热潮。Si/GeSi异质结构应用于红外探测器有如下优点:截止波长可在3~30μm较大范围内调节,能保证截止波长有利于优化响应和探测器的冷却要求。Si/GeSi材料的缺点在于量子效率很低,利用多个SiGe层来解决这一问题。

  (3)1996年领域计划将开发先进红外焦平面阵列的工作重点确定为:研制在各种情况下应用(包括监视和夜间/不利气象条件下使用的红外焦平面阵列)的红外探测器材料,其中包括以如下三种材料为基础的薄膜和结构:具有芯片上处理能力的GgCdTe单片薄膜、InAs/GaSb超晶格和SiGe(肖特基势垒器件)。这三种材料也正是当前红外探测材料发展和研究的热点。

  主要用作红外探测器和飞行器中的窗口、头罩或整流罩等,它的最新进展和发展方向如下:

  (1)在中红外波段采用的红外透过材料有锗盐玻璃、人工多晶锗氟化镁MgF2)、人工蓝宝石和氮酸铝等,特别是多晶氟化镁,被认为是综合性能比较好的材料。远红外材料是红外透过材料当前研究发展的重点方向之一,8~14μm长波红外透过材料有:硫化锌ZnS)、硒化锌(ZnSe)、硫化镧钙(CaLa2S4)、砷化镓GaAs)、磷化镓(GaP)和锗(Ge)等。ZnS被认为是一种较好的远红外透过材料,在3~12μm范围,厚2mm时,平均透过率大于70%,无吸收峰,采取特殊措施,最大红外透过率达95.8%。国外已采用ZnS作为远红外窗口和头罩材料,像美国的LANTRIRN红外吊舱窗口,Learjel飞机窗口等。美国Norton国际公司先进材料部每年生产上千个ZnS头罩。ZnS多晶体的制备方法主要有两种:热压法与化学气相淀积法(CVD),CVD法制备的材料性能较好。

  (2)红外透过材料发展的另一个重要方向是:耐高温红外透过材料的研究。高速飞行器在飞行过程中会对红外窗口和罩材产生高温、高压、强烈的风砂雨水的冲刷和浸蚀,影响红外透过材料的性能,因此需要一系列新型的耐高温、具有综合光学、物理、机械、化学性能的新材料。这些条件下使用的理想材料从室温到1000℃应具有下列特性:在使用波段内具有高透过,低热辐射、散射及双折射,高强度,高导热系数,低热膨胀系数,抗风砂雨水的冲击和浸蚀,耐超声波辐射等。

  最近研究较多的耐高温红外透过材料有镁铝尖晶石兰宝石氧化钇、镧增强氧化钇和铝氧氮化物ALON等。镁铝尖晶石是近年来研究最多的最优秀的红外光学材料之一,它能在高温、高湿、高压、雨水、风砂冲击及太阳暴晒下仍保持其性质,因而是优先选用的耐高温红外透过材料,它可透过200nm到6μm的紫外、可见光红外光。单晶监宝石也是一种耐高温红外材料,它可透过从远紫外0.17μm到6.5μm的红外光,用新研制的热交换法晶体生长过程可以制造直径达25cm的大尺寸蓝宝石。

  氧化钇和镧增强氧化钇的透过波长为8μm,在氧化钇中掺入氧化镧,材料强度提高30%,光学特性不变。由于高温下具有很高的硬度,所以它具有很好的抗冲击、抗浸蚀性能。严格的说到还没有一种理想的材料能完全满足上述要求。但包括上述材料在内的不少材料具有较理想的综合性质。

  (3)红外透过材料的第三个发展方向是:红外/毫米波双模材料,这是为适应红外/毫米波双模复合材料制导技术的需要。还没有一种材料能满足红外/毫米波双模材料既要有高的远红外透过率又有小的介电常数损耗角正切的要求,高性能的红外/毫米波双模材料尚待进一步研究发展。红外材料的应用:包括各种导弹的制导、红外预警(包括探测、识别和跟踪、预警卫星预警飞机、各种侦察机等)、观察瞄准(高能束拦截武器等)。

  固体激光器正寻求在可见和近可见光谱范围波长可调,为此而发现的可调谐激光晶体已有30多种,其中,Cr3 离子掺杂新晶体具有较高受激辐射截面和低饱和能量密度,它们的波长范围是:Cr3 :LiCaAlF3为0.72~0.84μm、Cr3 :LiSrAlF6为0.78~1.01μm,特别是Cr:LiSAF,它的饱和能量密度为5J/cm2,在激光调谐范围,荧光寿命、激光效率、热透镜效应等方面具有良好的性能。

  军用光电材料研究的目的是将研究成果应用于新一代高技术光电子装备系统,抖音快手提高电子进攻和防卫综合电子战的能力。军用光电材料是军用光电子技术的重要基础,对军用光电子装备系统有重要的赋能和倍增作用。以红外材料为基础的能增强坦克、装甲车、飞机、军舰及步兵的夜战能力,为航空、卫星侦察、预警提供重要手段,成像制导技术可大大提高导弹的命中率和抗干扰能力。以新型固体激光材料为基础的激光测距激光致盲武器和火控制系统等使作战能力大大加强。可调谐激光晶体为从可见光到红外波段可调谐激光系统提供工作物质可提高激光雷达、空中传感和水下探测等军用激光系统的领域监视、侦察能力。利用光纤材料、宽带、抗电磁和强核电磁脉冲干扰、保密、体积小、环境适应性强和抗辐照等优点,可实现地面武器系统无人远距离传感阵和有人控制站之间的GB/s级信息传输;舰船指挥可以通过光纤为远距离舰队发送信号,进行指挥;飞机将能发射光纤携绳的机载无人加强飞机或靶机;以往的武器有线制导将被光纤制导所取代;军用运载体的惯性导航系统将被光纤陀螺所取代;战略武器发射的C3I系统也将启用光纤C3I网络等等。总之,军用光纤系统的应用,将远远超越话音和低速率数据通信的范围,而进入传感、海上或空中武器平台及各种高速率传输系统。

  通过光生伏打效应将太阳能转换为电能的材料。主要用于制作太阳能电池。太阳是一个巨大的能源库?地球上一年中接收到的太阳能高达1.8×1018千瓦时。研究和发展光电转换材料的目的是为了利用太阳能。 光电转换材料的工作原理是将相同的材料或两种不同的半导体材料做成PN结电池结构,当太阳光照射到PN结电池结构材料表面时形成新的空穴-电子对在p-n结电场的作用下空穴由n区流向p区,电子由p区流向n区?接通电路后就形成电流。这就是光电材料的工作原理。

  太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能或送往蓄电池中存储起来或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

  太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。 蓄电池一般为铅酸电池,一般有12V和24V这两种小微型系统中也可用镍氢电池镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来到需要的时候再释放出来。逆变器在很多场合都需要提供AC220V、AC110V的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。为能向AC220V的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用DC-AC逆变器。在某些场合需要使用多种电压的负载时也要用到DC-DC变换器,如将24VDC的电能转换成5VDC的电能。

  太阳能发电有两种方式:一种是光—热—电转换方式,另一种是光—电直接转换方式。

  1.光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电。一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程,后一个过程是热—电转换过程与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高,估计它的投资至少要比普通火电站贵5~10倍。一座1000MW的太阳能热电站需要投资20~25亿美元,平均1kW的投资为2000~2500美元。因此,只能小规模地应用于特殊的场合。而大规模利用在经济上很不合算,还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

  2.光—电直接转换方式该方式是利用光电效应太阳辐射能直接转换成电能光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件是一个半导体光电二极管当太阳光照到光电二极管上时光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长,只要太阳存在,太阳能电池就可以一次投资而长期使用,与火力发电、核能发电相比,太阳能电池不会引起环境污染,太阳能电池可以大中小并举,大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组,这是其它电源无法比拟的。

  1.用户太阳能电源小型电源不等用于边远无电地区如高原、海岛、牧区、边防哨所等军民生活用电如照明、电视、收录机等家庭屋顶并网发电系统。光伏水泵解决无电地区的深水井饮用、灌溉。

  2. 交通领域 如航标灯、交通/铁路信号灯、交通警示/标志灯、宇翔路灯、高空障碍灯、高速公路/铁路无线电话亭、无人值守道班供电等。

  3. 通讯/通信领域 太阳能无人值守微波中继站、光缆维护站、广播/通讯/寻呼电源系统 农村、小型通信机、士兵GPS供电等。

  和水库闸门阴极保护太阳能电源系统、石油钻井平台生活及应急电源、海洋检测设备、气象/水文观测设备等。

  5.家庭灯具电源 如庭院灯、路灯、手提灯、野营灯、登山灯、垂钓灯、黑光灯、割胶灯、节能灯等。

  7.太阳能建筑将太阳能发电与建筑材料相结合,使得未来的大型建筑实现电力自给是未来一大发展方向。

  1.与汽车配套太阳能汽车/电动车、电池充电设备、汽车空调、换气扇、冷饮箱等

  4卫星、航天器、空间太阳能电站等。 可见?以太阳能电池为代表的光电转化材料已经运用到生活的方方面面, 随着科技的发展,我们还将看到更多新的光电转换材料的出现。

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