第4章 光电子材料

1960年第一台实际运行的红宝石激光器的出现给人以启示：总有一天光信号可以代替电信号作为信息交换的公共载体。当然光电子技术的应用并不局限于信息领域，由于激光本身存在方向性、相干性、单色性等方面的突出优点，一个新兴的高技术产业——光电子工业已经破土而出，它包括光通信、光计算、激光加工、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应、激光分离同位素、激光制导等许多方面。从整体上看，探索与发展新型光电子材料，制作高性能、小型化、集成化的光电子器件，已经成为整个光电子科技领域的前沿。其中光电子信息材料无疑是整个光电子技术的基础和先导。

光电子信息材料包括光源和信息获取材料、信息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中主要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、各种液晶显示材料、新型相变和光色存储材料、光致折变材料、新型非线性光学晶体材料等。我们在这里着重谈谈激光基质晶体、光学功能晶体和光导纤维。

激光基质晶体的发展经历了两个阶段，第一阶段是以红宝石（掺铬的三氧化二铝）为代表，第二阶段以掺钕的钇铝石榴石为代表，自1964年美国首先研制出钇铝石榴石晶体以来，经过30多年的努力，晶体质量有了很大提高，已经形成了规模产业。该晶体品种已被公认为是固体激光器的骨干晶体，在激光基质晶体中处于垄断地位。

在光电子技术中，需要很多功能元件以实现开关、调制、隔离与频率转换等。例如，在光电子信息系统中，需要光调制器将所要传递的信息按时间或空间加到光载波上，并通过光开关将光信息在时间或空间上进行切换，以实现信息网络中光的交换，或在逻辑运算中进行光信号处理。目前，制作这些功能元件所选用的材料，大多是光学功能晶体。光学功能晶体主要有非线性光学晶体、电光晶体、光折变晶体、磁光晶体和声光晶体等。这些晶体具有这样的特性：它们在外界的物理场（如光场、电场、磁场、声场或热场）作用下，产生不同的物理效应，从而引起该晶体光学性质发生变化。这些晶体多是人工合成与生长的，是人工晶体的一个大类。

在外加电场作用下，晶体折射率发生变化的现象称为电光效应。具有电光效应的晶体称为电光晶体。在光学电子技术中，电光晶体主要用于制作光调制器、扫描器、光开关等器件。此外，它在大屏幕激光显示汉字信息处理以及光通信方面也有应用前景。重要的电光晶体有磷酸二氢钾、铌酸锂、钽酸锂，以及某些化合物半导体。

光导纤维简称光纤，自从20余年前首次利用玻璃光纤作为传光介质以来，光纤材料与技术有了惊人的发展。光纤通信无疑是今后光电信息传输的主要方向。目前通信光纤大多采用熔石英光纤。为了增加通信光纤的无中继距离（无中继指信息传输过程中不需要放大），必须尽量减小光在传输过程中的损失。当前研制的熔石英光纤的传输损耗，已快接近该种材料的极限损耗值。

因此大量的研究工作，集中在改进制造工艺，以提高光纤的强度和尺寸精度，并增加光纤连续作用的长度。

光纤的另一重要应用是传能，即传输高强度的激光。

如在激光手术刀应用中，需将激光器发射的光传输到需要手术的部位。当激光波长在近紫外区到近红外区之间时，可用以熔石英为基的低损耗光纤，也可使用硫化物或卤化物的单晶或多晶光纤。

光纤还有一个重要应用，就是制作光纤传感器。其原理是利用光纤材料的某些物理性能，探测外界物理量的变化，这种传感器抗干扰性强、灵敏度高，可用于遥感、遥测技术。目前的光纤传感器大多是传输型的，部分是探测型的。所选用的材料有低损耗的熔石英玻璃和重金属氟化物玻璃，为使这类光纤传感器灵敏度和选择性进一步提高，人们正在发展特种光学纤维。