非线性光学性能

非线性光学性能（精选9篇）

非线性光学性能 第1篇

利用非线性光学(NLO)晶体材料的变频技术获得波长连续可调激光在国防和民用领域具有广泛的应用。其中在中远红外波段,目前商用的AgGaS2和ZnGeP2晶体材料具有大的NLO系数及宽的红外透过范围等优点,但存在激光损伤阈值低的缺点,因而不能满足大功率激光发展的要求。经典研究认为NLO性能主要来自阴离子基团的贡献,因此NLO晶体材料的研究思路是设计具有较高电子云形变度的阴离子基团,以增大非线性极化率,从而获得高NLO系数的材料;另一方面,提高材料的离子性,以增大带隙,从而获得高激光损伤阈值的材料。但是,对同一阴离子基团,这两个因素往往是相互矛盾的,电子云易形变则离子性弱,离子性强则电子云不易形变,导致这两个指标难以兼得。因此,获得大的NLO系数且高的激光损伤阈值的NLO晶体材料成为目前研究的热点和难点。

在中科院战略性先导科技专项、国家自然科学基金等项目的资助下,福建物构所结构化学国家重点实验室郭国聪研究员领导的研究团队为了克服大NLO系数及高激光损伤阈值难以同时兼得的结构设计瓶颈,创新性提出双“功能基元”的结构设计思路,即把“抗激光损伤功能基元”(即由电负性差异大的元素构建聚阳离子基团以增加带隙进而提高激光损伤阈值)和“NLO活性功能基元”(即由畸变四面体结构单元构建成超四面体结构进而增大NLO系数)在分子水平上组装成无心结构的思路,成功合成了高性能的红外NLO新材料体系[A3X][Ga3PS8](A=K,Rb;X=Cl,Br),这些化合物具有高的NLO系数(4~9AgGaS2)及高的粉末激光损伤阈值(31~39AgGaS2),突破了高NLO系数和高激光损伤阈值难兼得的瓶颈;值得指出的是,在已报道的NLO系数高于AgGaS2的材料中,这些化合物的激光损伤阈值是目前最高的。同时,化合物具有宽的红外透过范围及满足相位匹配,是潜在的高功率红外NLO晶体材料。相关的研究工作申请了中国发明专利。

银幕的光学性能和使用的论文 第2篇

摘要：银幕是指能接受幻灯、投影、电影等设备所投射出的光束，并在其表面显示图像的白色特制平面，也称之为放映银幕。它对放映画面的亮度、清晰度、对比度、色彩还原和放映声音起着重要的作用。要使银幕达到良好的放映效果，就必须对银幕的种类、光学原理和使用方法等进行充分的研究。

关键词：银幕 类型 亮度系数 增益

银幕是指能接受幻灯、投影、电影等设备所投射出的光束，并在其表面显示图像的白色特制平面，也称之为放映银幕。它对放映画面的亮度、清晰度、对比度、色彩还原和放映声音起着重要的作用。要使银幕达到良好的放映效果，就必须对银幕的种类、光学原理和使用方法等进行充分的研究。

一、银幕的类型

目前常用的银幕按幕面的光学特性分为两大类：反射式银幕和透射式银幕。反射式银幕不受尺寸限制，但受环境光线的影响较大，包括各种规格的手动挂幕和电动挂幕。如升降幕、支架幕、地拉幕、桌幕、金属平面幕、弧面幕等。反射式银幕按照光学原理分为漫散反射银幕和方向性漫散反射银幕。透射型银幕画面整体感较强，不受环境光线的影响，能正确反映图像质量，画面色彩艳丽，形象逼真，包括各种规格的硬质透射幕和软质背投幕。透射式银幕按照光学原理多为方向性漫散透射银幕。

1、漫散反射银幕

漫散反射银幕是放映电影和幻灯投影中常用的一种银幕。其特点是银幕表面能将照射到幕面上的光线，在较大扩散角范围内，均匀分散地反射到各个方向，在银幕的前方任何不同的角度观看银幕影像时，其亮度基本不随方向和角度而改变，散射角大，颜色准确自然。

2、方向性漫散反射银幕

方向性漫散反射银幕的特点是将照射到幕面上的光线经过反射并重新分配后集中于一定方向的角度内，因而在这个角度内银幕亮度高，观众在这一角度内观看时图像清晰明亮：但偏离这一特定的角度时。银幕亮度有明显下降。另外，有一些方向性漫散反射银幕对某些颜色具有排斥作用，会使彩色影像的颜色失真。

3、方向性漫散透射银幕

方向性漫散透射幕的特点是当光线照射到银幕上时，在以入射光线为中心的立体角内都有透射光，在入射光方向上透射光强有最大值，偏离此方向越远透射光强越小，因此看起来入射方向最亮，远离此方向则变暗。这种幕放映时，可不用遮暗。

二、银幕的几个重要光学指标

1、银幕的反射系数、透射系数和吸收系数

光线投射到银幕上，通常分成三部分：一部分被反射，一部分被吸收，还有一部分穿透银幕。我们分别用反射系数、透射系数和吸收系数表示银幕材料对入射光线的反射、透射和吸收程度。

反射系数=银幕反射的光通t/照射到银幕的总的光通量(1)

透射系数=银幕透射的光通量/照射到银幕上总的光通量(2)

吸收系数=银幕吸收的光通量/照射到银幕上总的光通量(3)

对于任何一种幕面光学材料，这三个系数之和都等于1。

即：反射系数+透射系数+吸收系数=1(4)

各种银幕的光学材料都可用上述三种系数表明其特性，某种材料的吸收系数大，说明射到它上面的光通量损失大。无论是何种银幕都要求吸收系数值越小越好。吸收系数的大小与银幕光学材料的吸光性、厚度和颜色有关：材料吸光性高、厚度大、颜色深，则吸收系数大。与其它材料相比，白色材料吸收系数值最小。

反射型银幕要求反射系数大，透射系数尽量小。在同样的光照条件下，反射系数越高，银幕反射的光线就越多。幕面就越亮。透射型银幕则要求透射系数尽量大，反射系数尽量小。

2、银幕的亮度系数

银幕的亮度系数rα，就是在同一照明条件和规定的观察条件下，当入射光线沿银幕法线方向时，在观看银幕一侧与银幕法线方向成α角方向的银幕亮度bα与同样条件下理想漫散幕的亮度bo的比值。即rα=bα/bo(5)

理想漫散幕是抽象的一种理想银幕，即反射系数(或透射系数)为1，并且能将全部入射光能量以完全均匀的亮度反射(或透射)到半球空间内。

显然，由式(5)看出亮度系数rα是角度α的函数，不同银幕的亮度系数rα可用亮度系数特性曲线表示，它表明银幕表面亮度系数根据观察方向不同而变化的情况，如图1。

(1)当银幕是理想漫散银幕时：bα=bo，rα=1。其特性曲线如曲线1所示。

(2)当银幕是实际漫散银幕时，亮度bα在近法较大幅度内与。α角无关，仅在α接近90度时，亮度才有所降低，其特性曲线如曲线2所示。所以漫散反射银幕的光能量分配在一定范围内是均匀的。观看者在此范围内观看银幕时，亮度大致相同。

(3)当银幕是方向性漫散银幕时，在银幕法线(假定入射方向沿法线)方向的某个范围内bα可以大于bo，因而rα>1，但随着α角的增大，bα不断减小，rα则随着不断减小。当α超过一定值时，rα即小于1，其亮度特性曲线如曲线3所示。由于方向性漫散银幕对入射的光能量在空间的不同方向上重新分配，光线集中在某个方向上，其亮度系数大于1，但是这些方向上的亮度提高是依靠降低其它方向上的亮度来实现的，反射系数(或透射系数)并未超过1。

我们把亮度系数的最大值称为银幕的增益。漫反射银幕典型的亮度增益值在0.8-1.0之间，而方向性漫散银幕的亮度增益可以从1.4直到2.0，甚至更高。所以方向性漫散银幕也称增益银幕。对于增益银幕，我们不能只虑它的增益系数，还要考虑银幕的亮度特性曲线是否平缓。低增益系数银幕的亮度系数随着角度的增大降低的幅度较小。高增益系数银幕的亮度系数随着角度的增大降低的幅度较大。也就是说，对于高增益银幕，我们希望其亮度特性曲线越平缓越好。

经多年试验和验证，电影界已形成银幕亮度标准，且被全世界采用。在smpte公布的与影院放映影片有关的银幕亮度标准中，规定银幕中心亮度为16英尺朗伯(55cd/m2)。边缘为12英尺朗伯(41.25cd/m2)。这是放映机上无影片运行、白光下所测得的银幕亮度值。该标准同时指出银幕中心亮度不宜过亮，也就是说不应有热点(hot spotting)。通常，银幕亮度取决于放映机发出的光流以及放映灯和银幕之间的光损失，也就是反光镜、镜头、放映窗玻璃所造成的光损失，以及从银幕上反射光线的损失。

3、银幕的散射角

散射角也称为视角，是指亮度系数为rα=0.7 rαmax(ramax指该银幕的增益)时的2a角称为散射角，如图1所示。散射角在选择银幕时是一个重要的光学参数，观看者观看银幕时，应处于散射角范围内，这样才能获得较为清晰、明亮的图像。一般来说银幕的增益越大，散射角越小：增益越小，散射角越大。

4、银幕的.清晰度

银幕画面清晰度是放映质量的重要指标之一，是指银幕上影像各细部影纹及其边界的清晰程度。通常以解像力来表示，即每毫米可分辨的线条数，单位为线对毫米。解像力越高。并且银幕中心和四周的解像力相差不大，则银幕上的图像显得越清晰。一般来说，银幕的解像力达到50线对毫米就可以达到比较良好的图像清晰度。

三、常用的几种银幕

1、白色布幕、白色塑料幕、布基涂塑幕

白色布幕由白布精漂而成l白色塑料幕是由白色聚氯乙烯制成，布基涂塑幕是在幕基(布或其它织物)上喷涂一层白色聚氯乙烯或白色硫酸钡涂料而成。这些银幕都属漫散反射式银幕，光线反射柔和，亮度均匀，增益不高，对放映环境透光遮挡要求严，反射系数在0.7～0.85,散射角在140度左右。

2、金属银幕

金属银幕均属方向性漫散反射银幕，金属银幕可提供更大的辐射强度，就像镜子反射光一样，这种银幕的亮度系数范围较广，一般在1.5～10之间。使用这种银幕时应注意，增益越高，散射角越窄。该银幕的缺点是密度不易做均匀，从而造成平整度受影响，因此，建议不要用这种材料制作太大的银幕。

金属银幕分为铝箔反光幕和银粉幕。铝箔反光幕是在幕基(如麻布、白细布、漆布、塑料等材料)上喷涂一层铝反射层或刷一层铝粉漆。也可将铝板表面腐蚀或喷砂形成白色无光泽表面。这种银幕随制作工艺不同，反射系数通常不超过0.65,亮度系数可在1.5～4.5之间，散射角一般不超过50度。银粉幕是在幕基上均匀涂上银粉使之反射投影光。

金属银幕中有一种称为金属光栅银幕，它是在幕基上涂布一层含有增塑剂的白色聚氯乙烯，再涂含铝粉的清漆，干燥后在专门的机器中加热到200度c，并压出光栅网格。这种幕的散射角水平方向为1000,垂直方向为500,在此范围内亮度系数平均为1.3，在法线方向为1.5。这个范围内反射光占全部反射光的81%，占放映机有效光通量的52%，因而金，属光栅银幕光效高，均匀性好。

3、玻璃微珠幕

玻璃微珠幕是在幕基上涂一层白胶漆，然后再均匀喷上一层直径为0.02～0.03mm的透明玻璃珠，经干燥后而成。玻璃微珠幕属于方向性漫散反射印幕，具有耐老化、不易褪色、色彩还原性好的优点，银幕增益为2～4之间，幕前中心亮度为580e左右，反射系数0.75以下，散射角约为50度左右。此类银幕玻璃珠直径越大，散射角越小，亮度系数越大。这种银幕不能折叠，不能用手指、锋利硬物碰触幕面，否则容易造成污痕和裂纹。

4、穿孔银幕

通常放映时为了使声音与画面效果配合协调一致扬声器最好放置在银幕后的正中央处，这时就会影响声音的高频特性。为了提高声音保真度，可使用穿孔银幕。银幕穿孔既要获取最佳的声学特性，又要使观众观察不到幕孔。穿孔银幕的构造是在幕面均匀打上很多小孔，一般孔的直径在0.5-1.2mm之间，小孔之间应有5.5mm的间隔：小孔面积总和占银幕面积的2%～5%左右，这样观众在观看影像时看不到小孔。穿孔银幕有不同的幕面构造。常见的有橡皮穿孔幕、塑料穿孔幕、玻璃珠穿孔幕、金属穿孔幕等。银幕经穿孔后，其表面特性不变，只是改变了音响效果。穿孔银幕因幕面有孔，透光较多，亮度将降低。

5、毛玻璃银幕

属方向性漫散透射银幕，用毛玻璃制成，一般尺寸不大，方向性特别强，最大亮度系数可达13。

四、银幕的选择

银幕类型、形状和尺寸三个因素影响着银幕上的影像。银幕的选择主要依据放映场所的实际情况，合理选择银幕的类型、银幕的尺寸和银幕的形状。

1、银幕类型的选择

方向性漫散反射银幕，由于亮度系数大，散射角小，所以适合用于窄而长的放映场所。对于宽而短的放映场所，则应选择散射角大、亮度系数均匀的漫散反射银幕，这种银幕能使各个方位的观众都获得满意的视觉效果。对于无任何遮光条件而又明亮的放映场所，可考虑选择透射式银幕，其抗杂光干扰性能特别好。放映立体幻灯或电影，则必须选择金属银幕，因为金属银幕的反射不改变光的偏振情况，其它材料的银幕反射改变光的偏振情况。

2、银幕形状的选择

银幕的外形一般有长方形和正方形，长方形适用于电影放映，正方形适用于幻灯、投影放映，银幕的宽高比例要适合于放映设备显示的图像比例。银幕大小与影像格式的关系如表1所示

银幕形状还普遍认为应遵守漫反射银幕为平面、增益银幕为弧形这一准则。其理由是如果漫反射银幕采用弧形设计，银幕上相互之间由于光的散射会使亮度降低，而且有可能使对比度下降，所以漫反射银幕通常为平面设计，增益银幕弧深为弦长的5%(弦高比20：1)。弧形大的银幕可容纳更多的观众。所以，选择弧形银幕设计时推荐使用增益银幕。

3、银幕大小的选择

银幕尺寸是指银幕对角线的长度，通常为几十至几百英寸。适宜的银幕尺寸取决于使用的空间面积及观众座位的数量、位置的安排等因素。银幕尺寸的选择原则为银幕宽度大约等于从银幕到观众席最后一排座位距离的1/6，银幕到第一排座位的距离应大于2倍银幕的高度，银幕底部应距观众席所在地面应为120厘米左右。

新型粉末材料的非线性光学特性研究 第3篇

随着科学的迅速发展, 新材料不断出现, 人们对材料的非线性光学性质很关注。测量物质的非线性光学性质的方法很多, 如:场诱导二次谐波 (EFISHG) 、溶剂变色法、电晕极化法 (基于电光系数测量和二次谐波的测量) 和Kurtz粉末法, 前两种方法用于溶液的测量, 能获得有机分子的一阶超极化率 (以测定极化聚合物薄膜的二阶非线性系数, 从而推算出掺杂或功能化极化聚合物薄膜中生色团分子的β值) 。上述三种方法均可获得分子的β值, 而Kurtz粉末法测量的是粉末产生的二次谐波 (SHG) 信号, 尽管不及上述方法精确, 但直接反映出了NLO微晶的光学性质, 既可半定量评价其非线性光学性质, 又可指导NLO晶体生长。本实验自己设计了一套处理粉末样品而不同于Kurtz粉末法的实验方法, 研究了插层高岭土材料粉末的NLO性质。

2 样品的制备

纯高岭土在出现层状结构001面的特征衍射峰值, 根据Bragg方程可计算出高岭土片层间距为0.715nm。通过向高岭土的层间填加有机化合物我们制备成了两种插层高岭土, 一种是高岭土/对硝基苯胺 (PNA/Kao) 插层复合物, 这是将纯对硝基苯胺 (PNA) 通过一定的手段插入到高岭土的层内得到的;另一种是高岭土/苯甲酰胺 (BZ/Kao) 插层复合物, 它是将纯苯甲酰胺 (BZ) 渗入到高岭土的层内得到的。

这两种插层复合物均为粉末状, 为便于实验中的夹固我们将这些粉末晶粒用KBr黏结制成薄片状。同时, 我们还将纯KBr、纯对硝基苯胺 (PNA) 、纯苯甲酰胺 (BZ) 和纯高岭土用相同的方法制成片状, 以便区分插层复合物本身的性质和参加制备样品的各成分的性质, 排除干扰现象, 从而获得插层复合物本身的一些特有的光学性质, 为分析复合物的结构或各成分含量等提供依据。

3 实验装置

实验装置如图1所示, 当入射光以一定的角度 入射时, 在反射与透射反射与透射方向都将有信号, 图1为透射式探测, 倍增管与入射光在样品的两侧, 若要检测反射的信号, 倍增管 (PMT) 与入射光在样品的同一侧, 我们测量了两种探测方式的散射光强角分布。采用148型激光功率计算, 在入射角固定的情况下, 测量了在不同散射角处不同材料对应的散射光功率。

我们采用波长632.8nm的He-Ne激光器作为激发源, 对于非相位匹配材料, 样品对632.8nm的散射的角分布与1064nm的散射角分布以及532nm的散射角分布相同, 所以固定He-Ne激光对样品的入射方向, 用激光功率计来探测不同方向上的散射光可以得到不同入射角对应的散射光强角分布。

4 光强角分布图

通过上面的操作我们得到了用KBr黏结的高岭土/对硝基苯胺 (PNA/Kao) 插层复合物的光强角分布图。

此处我们不仅考虑了前向的光强角分布, 而且讨论了各种角度入射时的后向散射光强角分布。我们还同时测量了纯粉末样品和黏结的粉末样品的强角分布, 以探讨样品制备方面的一些问题。

5 结果讨论

从以上的实验结果我们可以看出, 在反射角和透射角附近光强都有一个峰值, 但在小角度入射的情况下, 反射散射的峰值不会与法向的强度值偏离很大, 但透射散射的强度会随入射角度的减小而增强。产生这种结果的原因我们归结为以下几条:

(1) 产生反射散射的峰值主要是由于粒子尺寸相比于光斑截面尺寸很小, 可以把样品粒子视为小的球状颗粒, 在反射散射过程中散射光强呈现一定的统计分布性, 从而在反射角上出现光强的极大值。

(2) 产生透射散射峰值的原因很明显, 主要是由于粉末样品层较薄, 入射光强的很大一部分受到散射的影响较小, 直接或以很小的散射角透过, 因而在透射方向上有极大值。

(3) 衰减系数的影响。当光正入射时, 由漫反射引起的衰减存在一个穿透深度, 光由内层粒子散射后也要经过同样的漫反射, 存在同样的穿透深度问题。穿透深度L与衰减系数间定义为:衰减系数越大, 穿透深度越小, 内层的散射光受到散射的次数越少, 漫反射回空气中的光强也越大。

(4) 同时我们还看到了以上曲线不够平滑, 而且强度分布很不均匀 (峰值角度处的光功率远大于其他角度处) , 这主要是粒子大小不均匀以及粒子在受光面的分布不均匀所致。

除以上的结果我们还发现, 不论是纯粉末状材料还是黏结后的粉末样品, 在绝大多数的区域, 对相同的散射角度入射角越大, 散射的光强度越小, 也就是说入射角越大, 散射光强度就越集中于某个角度而分散越小。

此处我们对光强角分布的讨论不仅仅是单纯地讨论光强是如何分布的, 更重要的是我们要从光强的角度分布中获取有关粒子大小、粒子间距等方面的信息, 为样品的制备提供实验上的支持。

参考文献

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非线性光学性能 第4篇

氧分压对ZnO薄膜结构与光学性能的影响

采用直流磁控溅射法在不同氧分压下制备了ZnO薄膜.用原子力显微镜(AFM)、X射线衍射(XRD)仪、荧光分光光度计、紫外-可见分光光度计对样品进行检测.实验表明,氧分压对ZnO薄膜的结构与光学性能影响很大.在样品的光致发光谱中,均只发现了520 nm附近的绿色发光峰,该峰随着氧分压的增大而增强.不同氧分压制备的.ZnO薄膜中,氧分压为0.25Pa的样品结晶性能最好,透过率最高.

作 者：杨兵初 刘晓艳 高飞 YANG Bing-chu LIU Xiao-yan GAO Fei 作者单位：中南大学,物理科学与技术学院,长沙,410083刊 名：半导体技术 ISTIC PKU英文刊名：SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY年，卷(期)：32(6)分类号：O484.4 O484.5关键词：直流磁控溅射 ZnO薄膜 氧分压

非线性光学性能 第5篇

1 量子点的基本特性

在外形结构上, 量子点是指一种3个维度都受到限制的低维半导体材料。所谓低维材料, 其内部电子在3个方向维度上的运动都受到限制, 从而表现出与半导体材料不同的特性。正是由于量子点尺寸受限, 材料表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加, 从而表现出量子限域效应、表面效应、小尺寸效应等特点[10,11]。目前, 量子点包括二维超晶格、量子阱材料、一维量子线和零维量子点材料, 随着形状的改变, 其物理性能往往有很大变化, 如图1所示, 不同形状的量子点态密度函数明显不同。

与本体材料不同, 量子点特有的物理性能很多, 主要体现在以下3个方面: (1) 量子尺寸效应 (The quantum size effect) , 是指当颗粒尺寸减小到与电子的波函数和激子玻尔半径相比拟时, 电子的波动性显著增强, 使得电子动力受阻, 相互干扰性增强, 能级之间的带隙变宽, 由此使得纳米粒子的光学特性产生尺寸依赖性, 具体表现为发射光谱和吸收光谱发生蓝移; (2) 表面效应, 是指随着量子点纳米颗粒尺寸逐渐减小时, 位于量子点表面的原子数逐渐增多, 比表面积随着尺寸的减小而增大, 从而导致其表面原子的悬键或不饱和键增多, 不能进行充分的配位, 使这些原子拥有较高的活性, 表现出极不稳定和容易与其它的原子相结合的特性; (3) 小尺寸效应, 当量子点物理特性尺寸与德布罗意波长、光波波长以及超导态的透射深度或相干强度相当甚至更小时, 非晶态纳米微粒表面附近的原子层密度减小, 晶体周期性的边界条件被破坏, 导致光、声、电、磁和力学等特性呈现出新的变化[12,13]。

2 Ⅱ-Ⅵ族量子点的制备方法

2.1 有机金属合成法

Bawendi小组[14]在1993年首次用有机金属法制备量子点。该方法以二甲基镉Cd (CH3) 2、Te粉、S粉等为原料, 三辛基膦氧 (TOPO) 和三辛基膦 (TOP) 为表面活性剂, 在无氧无水及高温 (T=350℃) 条件下合成了CdSe、CdS、CdTe等Ⅱ-Ⅵ族纳米半导体微粒。Reiss等[15]在Peng方法的基础上, 在HAD (十六胺) -TOPO混合体系中以CdO为镉源合成了CdSe量子点。Feng Wu等[16]通过有机化学路线合成了CdSe0.3S0.7三元量子点, 并在532nm激光下研究了该量子点的非线性光学性质。在开孔条件下, 测得双光子吸收截面为3.7106GM。Yu Zou等[17]以CdO为镉源, 用TOPO和TOP作为表面活性剂, 利用热注射手段一步合成了CdSeS量子点, 并能通过控制Cd与S的比例来控制合成量子点的形貌;所制备的量子点具有单一型量子点没有的高荧光性, 在光电器件和生物标记方面有很好的应用前景[18,19]。

上述方法的不足之处在于使用了价格昂贵且有毒的TOPO、TOP等有机试剂。Yu等[20]首次用油酸作为配位剂, ODE (十八烯) 作为溶剂, 制备了CdS和ZnSe量子点。Chun Wang等[21,22]用氧化镉和硫粉分别作为镉源和硫源, 以实验室自制绿色溶剂N-油酰基吗啡啉为溶剂, 合成了尺寸分布均匀的CdSe量子点。NorAliya Hamizi和Mohd Rafie Johan以石蜡油作为溶剂, 油酸作为配位剂, 在220℃左右合成了高质量的CdSe量子点[23]。F.Y.Shen等[24]以Zn (Ac) 22H2O和硫粉为原料在油胺环境下加热到120~240℃合成了ZnS量子点。通过高分辨电镜测得粒子尺寸分布在1.7~3.1nm之间, 能带在4.16~3.90eV之间, 并且可以通过温度来控制量子点生长。Zou等[25]通过热注射手段, 在成功制备CdS量子点基础上, 制得了CdSxSe1-x量子点。与二元量子点相比, 三元量子点的相关性质可通过控制元素成分比来控制, 并且可获得比二元量子点更高的产率和荧光性能[26]。

2.2 胶体化学法

胶体化学法是制备半导体量子点材料最为广泛的一种方法。早期量子点的制备就是用胶体化学的方法在有机体系中完成的, 但真正系统地制备和研究始于20世纪80年代初期L.E.Brus等的工作。在有机体系中制备Ⅱ-Ⅵ族量子点的原理就是通过金属前驱体在配位剂和溶剂中分解成单体而形成核心, 晶粒成核后通过配位剂吸附作用而阻滞其继续成长, 使其稳定存在于特定的溶剂中, 由于TOPO能有效控制CdSe纳米晶粒的长大, 所以一般用其作辅助溶剂。利用胶体化学的方法, 可以在水溶液或有机溶剂中制备出尺寸很小的CdS、ZnS、CdSe、ZnSe等半导体的胶体颗粒, 并可很方便地进行表面修饰和掺杂。

目前很多科研人员采用该方法合成了CdSe纳米晶, 如陈异等[27]将硒粉和氯化镉用磷酸三丁酯 (TBP) 溶解, 在辅助溶剂TOPO中加热分解前驱物并进行化学键合, 成功制备出了三角锥型的CdSe纳米晶, 其边长约为60nm。

胶体化学方法有很多优点:首先, 实验过程简单, 设备要求低, 一般实验室都可实现;其次, 制备出的量子点的粒径可以很好地控制;再次, 胶体量子点表面有一层有机包覆层, 可以使量子点在空气中稳定存在;另外利用该方法得到的量子点胶体溶液一般是透明的, 因而可以通过光谱来进行研究, 并可方便地进行光电催化反应方面的研究。

2.3 模板法

模板法是根据制备材料的大小和形貌人为地设计模板, 其原理就是设计一个尺寸为纳米级的小空间, 让材料的成核和生长都在这个空间中, 以达到对合成材料的大小、形貌、结构和排布的控制。Harish等[28]在无氧无水的条件下, 以MCM-41为模板, 成功地制备出粒子尺寸均匀分布的CdSe纳米微粒。丛日敏等[29]以酯端基的PAMAM树形分子为模板, 制备出了平均粒径为1.5nm的尺寸分布窄、发紫光、单分散的CdS量子点。冯新星等[30]在pH=6的条件下, 以蚕丝丝素蛋白为模板, CdCl22.5H2O和硫代乙酰胺为原料合成出纳米CdS颗粒, 尺寸为5.1nm。

模板法的优点是实验装置简单、操作简便、适用面很广, 可以合成更多特殊形态的纳米粒子, 但主要缺点是选择一个较为合适的模板较为困难。

2.4 水热和溶剂热法

水热法通常是采用水溶液作为反应体系, 以产生高压环境为前提, 使水温为超临界温度或接近超临界温度, 并通过高温高压促进水或者蒸汽等流体中的离子反应, 水解制备出量子点[31,32]。

水热法克服了常压下水相制备量子点的回流温度不能超过100℃的缺点, 并使量子点的制备周期明显缩短。因成核与生长过程的相互分离使得量子点表面缺陷明显改善, 量子点的荧光量子产率也随之提高, 如Zhao等[33]以N-乙酰基-L-半胱氨酸作保护剂, 用水热法制备出了荧光量子产率可达45%~62%近红外区发光的核壳式CdSe/CdS量子点。由于N-乙酰基-L-半胱氨酸具有无毒无臭、廉价、水溶性好等其他保护剂不具备的优点, 所以它是目前水相制备量子点最佳的巯基类保护剂。水热法制备量子点具有廉价、操作简单、重现性好、表面电荷和表面性质容易控制等优点。溶剂热法和水热法的区别仅在于前者使用的是有机化合物, 而后者使用的是水溶液来进行反应, 在大多数情况下, 上述两种方法进行的反应基本是在不用搅拌的静置状态下完成。

2.5 微乳液法

微乳液法也称反胶束法, 在该方法中表面活性剂发挥着非常关键的作用, 它能使两种互不相溶的溶剂形成一种均匀的微乳液, 使量子点的成核、生长等过程都集中在这个微小的球形液滴里完成。由于布朗运动的原因, 微乳颗粒不停地相互碰撞, 使得这个小空间中的物质可以相互交换。纳米微粒生成正是由于用微乳液中物质的相互交接、反应生成的。不同尺寸的纳米晶可通过改变表面活性剂与水的物质的量比来得到调控。Hiroyubi Ohde等[34]在一定的条件下, 通过将一种含Cd2+或Zn2+的微乳液与另外一种含S2+的微乳液混合, 以CO2中的水滴作为纳米反应器制得了1.4~1.7nm的ZnS和CdS中空球。最近报道的Mathew等[35]采用微乳液法以Cd (NO3) 2作为镉源, (NH4) 2S、Na2SeSO3和Se单质为硫源和硒源合成了CdSe-CdS核壳型量子点。

微乳液法制备金属纳米微粒与传统的方法相比, 具有制备品种多, 所得颗粒大小可控, 颗粒分布均匀且易于控制、粒径分布窄等优点。微乳液法也有其明显的缺点, 如该方法工艺复杂, 实验过程所需原料多, 控制条件较为苛刻, 所制备出的纳米粒子结晶不完善, 材料内部缺陷多, 对于所得的半导体纳米微粒来说, 荧光光谱表现为极强的缺陷发光和较低的发光效率[36,37]。

总之, 这些方法各有优缺点, 现对其进行简单对比, 如表1所示。

此外, 人们还摸索出了其他一些具有特定优点的方法, 如固相法、均匀沉淀法、离子交接法、水相溶液法、热降解法、微波辐射法等[38,39]。

3 Ⅱ-Ⅵ族量子点的非线性光学研究进展

Ⅱ-Ⅵ族量子点的非线性光学特性一直是人们广泛关注的研究方向。非线性光学是光学学科中一门崭新的学科, 从20世纪80年代至今, 科学工作者在非线性新型材料的研究、光学原理、新效应的发现及其应用等方面均取得了巨大的进展, 且该领域成为了光学学科中最重要的分支学科之一。

3.1 非线性光学机理研究

量子点的非线性光学特性与表面原子的活性有很大的关系。表面原子的活性不但引起结构的变化和纳米粒子表面原子输运, 同时也引起表面电子能谱和自旋构象的变化。从前人的工作基础上总结出了如下结论:由于表面缺陷产生陷阱空穴或电子, 这些变化影响量子点的发光性质, 引起非线性光学效应[40]。表面缺陷与尺寸都是影响量子点光学非线性特性的重要因素, 但关于表面缺陷是增强还是减弱量子点的非线性的争议很大, 这一切有待进一步深入地研究, 以期得到一个规律性的结论。

非线性光学的发展应追溯到第一台红宝石激光器发明和使用, 激光的优异特性、激光与物质相互作用的特点为人们研究物质的光学非线性特点提供了条件。从研究半导体所得的结果来看, 半导体纳米粒子具有明显增强的三阶光学非线性响应, 在高速光学通信与全光通信领域有着巨大的潜在应用价值, 因此研究半导体纳米材料具有非常重要的意义[41,42,43]。正因如此, 科学界高度重视量子点的应用前景及其优异的光学性能。

Y.Wang等[44]从量子点的电子结构出发, 用特定的手段分析了量子点共振与非共振情况下的非线性特征, 并指出量子点表面钝化有利于改善量子点的非线性特性。T.Takagahara以CdS纳米晶体为对象, 以有效质量近似理论和非线性光学的理论成果为指导, 研究了激子光学非线性[45]。冯小波等[46]也是基于单带有效质量近似理论, 分析了异质结构CdSe/ZnS量子点三阶极化率, 结果表明较大的量子点具有很强的光学非线性效应。

3.2 非线性光学实验研究及应用

在实验研究方面现在用的最多的是Z扫描技术。人们利用Z扫描技术检测了CdSe、CdS、CdTe和PbS等的非线性光学特性并发现了许多特别的现象, 如量子点具有多光子吸收、双光子吸收、饱和吸收和激发态吸收特性等[47,48,49,50,51,52]。1986年K.Jain等[53]采用纳秒激光器作为激发光源, 在简并四波混频技术的基础上, 发现了玻璃掺杂纳米团簇的非线性特性。邹炳所等[54]率先利用Z扫描方法对CdSe、CdS等纳米颗粒非线性光学特性进行了初步的研究。余保龙等[55]发现了一个与Amit D.Lad的实验结果相反的现象, 他以连续光为激发光, 利用Z扫描方法研究In2O3量子点的非线性特性时发现缺陷能够改善量子点的非线性特性。V.V.Nikesh等[56]通过开孔Z扫描技术测得了ZnS纳米粒子的双光子吸收系数。Daniel J.Asunskis等[51]用Z扫描技术研究了在不同聚合体溶液中合成的PbS量子点的非线性光学性质。2012年Kishore Sridharan等[57]首次在真空条件下用热蒸发法合成了PbTe量子点, 并用Z扫描技术分别在532nm和800nm激光下测量了其光学性质, 结果表明, 制备的PbTe量子点具有非常明显的非线性光学性质, 在光电器件方面具有很大的应用潜力。

相比而言, 在国内有关利用Z扫描方法研究量子点的光学非线性的研究并不多, 这方面研究工作有待进一步拓展。

4 结语

非线性光学性能 第6篇

非线性光学材料的研制是当今材料科学领域的重要课题之一。人们一直致力于研发有强的非线性响应、高的非线性光学系数、好的环境稳定性等性质的非线性光学材料。非线性光学材料主要应用于光波频率的转换,以开辟新的激光光源和进行控制,开关,偏转,放大,计算,储存等光信号处理。随着研究范围的逐渐增大,人们将更多注意力转到了有机配合物及含过渡金属的有机配合物[1,2,3]。不过一些聚合物因为具有较好的共轭性、在宽频率范围内具有强的电响应和快速响应时间而得到了人们的广泛关注[4],较多的是聚炔烃类[5]和聚乙炔[6,7]长链化合物。

1 计算方法和基组的选择

1.1计算方法

本文采用有限场法(Finite-Field Method)计算各长链共轭化合物的非线性光学性质。有限场法(FF)是一种数值微分方法,也称数值法。在均匀静电场中,分子体系的能量可按Taylor级数展开:

E=E(o)-μiFi-αijFiFj/2-βijkFiFjFk/6 -

γijklFiFjFkFl/24 - 。

其中,各下标取笛卡尔坐标,E(0)为无外场时分子的能量,Fi为外电场在 i 方向的分量,μi为分子偶极矩向量的分量,αij为线性极化率张量的分量,βijk和γijkl分别为一阶超极化率和二阶超极化率张量的分量。我们通过计算一系列不同电场强度下分子的总能量,得到一组方程,联立求解得到μ、α、β、γ的数值。在本文中我们主要列出化合物的γ值。计算均在MP2和HF水平上进行计算。本文中所有物理量均用原子单位a.u.,其中γ为104 a.u.。

1.2基组的选择

在进行量子化学计算时,首先的工作就是选择一个合适的基组去近似地展开体系的波函数。由于电子超极化率与离原子核较远区域的电子分布有关,基组需能正确地表示外场存在时全空间的电子云分布,包括靠近原子核区域和远离原子核区域的电子云分布,因此计算超极化率的基组应包含高阶极化函数和弥散函数[8]。如果计算使用的基组不完全,有两个问题。一方面当指数较小的基函数不充分时,不能正确表示离核远处电子云对外场的反应,使超极化率计算值偏小,此点可从不添加弥散函数和极化函数的标准基组(如631G)的情况看出。另一方面,当指数较大的基函数不充分时,不能充分完全地表示离核近处电子云的分布,而使电子云在外电场下不正确地过多地趋向于离核较远的区域,使极化率的计算值偏大。

目前对小分子计算,Sadlej[9]设计的POL基组(对α)和HYPOL基组(对γ)是较好的基组(根据场依赖基组原理),能平衡地考虑离核较远的区域和离核较近的区域的电子云,许多计算以它为标准。但它的弥散函数太弥散,轨道指数在0.03左右,当分子稍大一些,SCF计算不收敛。而且对大分子来说,POL基组仍嫌太大。

基组是否能得到合理的超极化率,需要有一个标准来检验基组的优劣。当然最好是将计算结果与实验结果相比较,但超极化率的实验结果不多。而受实验条件的限制,许多结果精度不够或数据不全[10]。另外,为了和实验结果相比较,计算中除了基组因素和相关效应外,还须考虑外场变化时的色散效应等等。在研究基组的优劣时,为排除其它因素的干扰,最好暂时先不考虑色散效应等其它影响,仅就Hartree-Fock方法和MP2计算的超极化率来检验基组的优劣。

相关一致性基组cc-pVXZ, X=D, T, Q, 5, 6(correlation-consistent polarized valence basis set)[11]。用于计算相关能时,随X的增加,相关能形成一致收敛的系列,它可以作为判断其它基组优劣的标准。后来该基组被扩展为x-aug-cc-pVXZ基组, x=0,1,2,3,4(augmented-correlated-consistent polarized valence basis set) [12],用于极化率和超极化率的计算。随x的增加,所计算得到的极化率和超极化率形成一致收敛的系列,并被认为收敛于Hartree-Fock极限。其中附加的弥散函数的指数(是用几何级数的形式确定的,αk=ξηk,ξ是aug-cc-pVXZ基组中最小的指数,η(<1)是基组中两个最小指数的比。

根据对原子和某些小分子的计算,4-aug-cc-pVTZ计算的超极化率已达到HF极限。对于较大分子,用4-aug-cc-pVTZ基组是不现实的,而且由于超位置效应,各原子的基函数有助于描述相邻原子的性质,基组效应减小,可以用较小的基组进行超极化率的计算[13],而且由于x-aug-cc-pVTZ基组在计算极化率和超极化率时有渐近性质,随x的增加,所计算的极化率和超极化率一致收敛于Hartree-Fock极限。所以虽然1-aug-cc-pVTZ基组对较大分子可能也达不到Hartree-Fock极限,但只可能稍低于Hartree-Fock极限(对α和γ),即只可能有一个小的系统偏差。于是我们用1-aug-cc-pVTZ的结果作为检验其它基组优劣的标准。根据文献的习惯[12],1-aug-cc-pVTZ可简称为aug-cc-pVTZ。由于aug-cc-pVTZ基组是以相关能为优化标准的,所以MP2水平的计算也会是可靠的。

2 计算结果及讨论

本文主要是想通过用不同大小的基组依次对两种长链共轭化合物进行计算,对基组进行逐次的筛选以找到一个较小的且计算结果相对较好的基组。我们首先选取了Sadlej设计的适用于极化率计算的POL基组[14];由于我们计算的化合物都是共轭长链型的, 为了同时验证极化函数、 弥散函数对计算结果的影响我们选用了计算中常用到的6-311++g**、6-311+g*、6-311g 、6-31++g**、6-31+g*、6-31g和D95V基组。我们希望以较高级的计算水平作为标准,用选取的各种大小的基组对长链聚合物按链长变化依次进行计算,再将计算结果与标准水平进行对比,将计算结果不好的基组舍去,再用余下的计算结果较好的基组对其他类型的聚合物依次进行计算,最后比较得出一个最为理想的计算基组。

我们选用的两种计算水平,HF是较常用的一种,但由于它不考虑相关能所以通常在计算极化率的时候较少用到;而MP2却是考虑电子相关较好的方法。本文计算的共轭化合物的长度为n=2～10,由于长链共轭分子的非线性光学性质主要由长轴方向的性质决定,我们则将所有化合物的长轴方向定为Z方向,在有限场法中我们通过计算Z方向电场强度下的能量,拟合得到相应的二阶超极化率γzzzz,计算结果都分别以MP2/aug-cc-pVTZ、HF/aug-cc-pVTZ水平的计算结果作为检验其它基组优劣的标准,并在此基础上进行相关的比较和讨论。

2.1聚炔烃链

聚炔烃C2nH2是以(C≡C), 为单体的聚合物。由于其具有良好的共轭性且结构简单,因此我们选取它为最初的计算分子。分子的结构和参数[5]见图1。我们在MP2和HF两种水平上,依次用aug-cc-pVTZ、Pol、6-311++g**、6-311+g*、6-31++g**、6-31+g*、6-311g 、6-31+g 、6-31g 和D95V基组进行了计算,拟合后的结果如表1、表2所示。由于POL基组本身较大,只能用于小分子或者n值较小的长链化合物的计算,从我们的计算结果中可以看到用POL基组进行计算只能到n=3,虽然计算结果很好,却不太适用于长链分子的计算,因此具有很大局限性。所以在后面其他长链分子的计算中我们将不再选用POL基组进行相关的计算。

在同一水平上比较了各基组计算拟合后得到的γzzzz值,与HF/aug-cc-pVTZ、MP2/aug-cc-pVTZ水平的计算结果相比较,发现6-311G、6-31G、D95V基组的计算误差较大,D95V误差已经大于了50%。其他基组下的计算结果与标准结果都较接近。因此, 通过比较筛选, 我们将6-311++G**、 6-31++G**、6-31+G*、 6-31+G四个基组用于下面的长链化合物的计算。

另外,从表1、表2看到,与aug-cc-pVTZ基组比较6-311++G**基组下计算得到的结果最好、误差很小,因此对后面的化合物,从n>6的计算结果均以6-311++G**基组计算值作为较长链的标准值。

2.2聚乙炔链

聚乙炔长链化合的非线性光学性质是最常被研究的,聚乙炔是以(CH=CH)为单体聚合,是对称的化合物,因此它只有二阶超极化率的γ值。在计算中我们仍计算以Z轴为长轴方向的分量,两种化合物的结构和参数[6]见图2。

在计算聚炔类长链化合物的时候我们选出了认为较好的四个不同大小的基组,我们就用6-311++G**、6-31++G**、6-31+G*、6-31+G基组分别在MP2、HF水平下进行计算,得到聚乙炔链的非线性光学性质。计算结果见表3～表4。

2.2.1 聚乙炔链计算结果及讨论

在表3、表4中从n=2～10,我们仍以HF/aug-cc-pVTZ和MP2/aug-cc-pVTZ的计算结果为标准。

从表3、表4的结果看到,在HF方法下由于未考虑相关能,各基组的计算结果与HF/aug-cc-pVTZ的结果虽然随着链长的增加误差逐渐减小,但较之于MP2下的计算结果误差仍偏大。在选取的四个基组中,6-31+G基组的计算结果比其他三个基组都偏大。

在MP2水平,各基组的计算结果与标准值均相差较小。6-31++G**与6-311++G**同样对氢原子添加了极化和弥散函数,计算值的误差均在10%以内,甚至更小。6-31+G*基组虽然只考虑了重原子的极化和弥散函数,但计算结果也比较好,在这也说明氢原子的极化和弥散函数对整个聚合物的非线性光学性质影响很小,在必要的时候可以不用考虑添加。从两种基组的计算误差来看,6-31+G*不仅较小,且计算结果也很好。HF水平下6-31+G*基组计算的误差也小于6-31++G**基组的计算误差。

当我们对重原子只添加弥散函数时即使用6-31+G基组,虽然有些n值下的值与标准吻合较好,但大部分n值的误差都增大,当n=4时,误差为21.10%,所以我们在使用这一基组时要慎用。

通过对两类长链化合物二阶超极化率结果的比较,可以看到6-31+G*基组是计算结果较好的三个基组中最小基组。同时在对聚炔类、聚乙炔链化合物计算结果中6-31+G*基组也同样表现出良好的适用性,因此对较长的链状化合物或者较大体系进行非线性光学性质计算时6-31+G*基组是作为选择的一个不错的基组,不仅可以提高计算的效率同时也可得到很好的计算结果。

3 结论

我们用有限场法,在MP2和HF水平用不同的基组从理论上对不同的长链共轭化合物(聚炔类、聚乙炔链)的非线性光学性质进行了计算,逐一与选取的标准水平计算值进行比较筛选,最后得到MP2/6-31+G*水平是较为理想的计算较大体系的计算水平;计算结果也表明,二阶超极化率的大小都随着共轭链链长的增加逐渐增大。

热控涂层光学性能退化模型研究 第7篇

材料渐变折射率即的折射率逐渐变化 (沿着一定方向) 。薄膜材料的渐变折射率薄膜是薄膜的折射率在水平方向上均匀不变但在其膜面的法线方向上逐渐变化。

是卫星热控体系的关键构成组分, 热控涂层利用涂层改变航天器的表面热物理性质在辐射热交换中有效地控制卫星的温度, 使之在温控过程中, 设备仪器工作时的温度不超过安全范围, 确保卫星内部的正常工作环境。原理是调节物体表面的太阳吸收率和红外发射率来控制物体的热平衡。卫星飞行时, 在它外表面的热控涂层会受到太空中质子、电子、紫外以及原子氧、等离子体、冷热交变的作用而导致光性能退化。其中带电粒子的照射将引起白色涂层吸收量增加, 降低光学性能, 进而影响其热控性能, 严重减少航天器的安全性与使用周期。我国以及国际上开展了一系列的理论研究及地面模拟和空间搭载试验, 用来评估热控涂层的光学性能在太空辐射下的退化。以空间辐射与表面材料作用机理研究为基础, 确立长寿命卫星热控涂层材料光性能退化模型, 并根据地面模拟试验对其长期退化的状况进行预测。在低地球轨道环境中, 主要气体成分为原子氧。航天器在低地球轨道飞行中原子氧与航天器之间的相对速度为八公里每秒, 若原子氧以约5 e V的能量与卫星冲撞, 则相当于卫星与约五万开尔文高温的原子氧直接反应。在原子态氧等太空环境的影响下, 热控涂层表面会发生严重的腐蚀现象, 造成表面粗糙、减薄并有质量损失, 表面涂层的化学成分也会发生较大的变化。热控涂层吸收率和发射率将发生变化, 导致卫星温度偏离设计值, 会造成一些部件工作异常, 甚至会导致飞行任务失败。热控涂层在空间环境中发生光学性能退化是必然的, 且产生的后果是严重的, 故对此退化现象进行分析有利于提高卫星飞行的可靠性和使用寿命。本文会在理论上为进一步研究热控涂层在空间中的光学性能退化规律提供指导。

二、退化模型

在模拟真空环境中, 用某水平通量密度和束流能量的氧原子对聚酰亚胺材料进行辐射加工, 用SEM分析法对辐射加工之前的样品和加工之后的样品进行分析, 发现聚酰亚胺薄膜材料被原子态氧辐射加工后, 其表面变成凹凸不平、灰白相间的绒毛状外部特征, 而不同于加工前的光滑和平整。由此表明在原子态游离氧的影响下, 测试样品表面发生了腐蚀现象, 使得涂层样品表面变得粗糙, 样品厚度也变薄了, 这会严重影响热控涂层的性能, 尤其是光学性能。聚酰亚胺镀铝热控涂层由两层组成, 由于受到原子态氧的各种物理及化学影响, 位于外层的聚酰亚胺材料变得凹凸不平, 腐蚀严重。所以对受到物理及化学反应的聚酰亚胺薄层进行分析, 是分析热控涂层的光学性能时的重点。假定厚度为d L的涂层为L, 该涂层的复折射率是n L-i k L, 而另一厚度是d H的涂层为H, 该材料的复折射率是n H-ik H, 材料遭到剥蚀的深度为d0, 完好无损的厚度为d’L, 则一定会有d0+d’Ld L。在涂层材料的深处, 材料被原子态氧剥蚀的程度越来越低, 涂层越来越致密, 折射率越来越大, 所以可以把此种遭到原子态氧剥蚀的薄膜看成渐变折射率涂层薄膜 (按涂层表面法线方向变化) 。薄膜的折射率由环境中大气的折射率n0缓慢变化到折射率为n L-ik L的固定折射率涂层薄膜。我们可以按照分层介质理论把折射率变化薄膜沿薄膜法线方向看成N个亚层, 每个亚层的实际薄厚一直而且折射率相同。把所有亚层的特征矩阵乘在一起获得总特征矩阵, 再用总特征矩阵元计算出透射系数和反射系数。就可以计算出薄膜的总透射率、总吸收率、和总反射率以及反射相移这些需要知道的光学性能。

在分析热控涂层的光学性能时, 考虑到热发射率和吸收率是热控薄膜的关键参数对材料的反射性能和吸收性能要重点分析。由于影响材料吸收光子的关键因素是由材料的导电系的, 当材料的导电系数不为大于零时, 材料的折射率是复数而不是实数, 即n^=n-i k, 式中n^为复折射率, n为折射率, k为消光系数。

三、结束语

电子、质子、原子氧、紫外温度骤变和空间碎片等太空污染全对热控涂层产生功能耗损的影响, 引起热控涂层粗糙, 减薄或材料成分的变化。这些变化均可视为热控涂层折射率和厚度的变化。要计算得到热控材料的光学性能的变化率, 只要测得热控材料的最初厚度和光学常数, 和辐射加工后的涂层材料光学常数和厚度, 再通过分析和计算即可。在现实的应用中, 只要借助于地面模拟实验和空中飞行实验, 计算分析出原子态的氧对热控薄膜材料的影响的具体数据, 就可以预测热控涂层材料在氧原子影响下的光学性能退化趋势。我们只要了解了涂层厚度变化和折射率随厚度的变化关系, 就可以利用这一模型对热控涂层材料的光学性能在太空辐射加工作用下的退化规律进行分析预示。同时, 该模型也可用来分析研究空间辐射加工环境下一般光学材料的光学性能退化规律。

参考文献

[1]沈自才, 孔伟金, 冯伟泉, 丁义刚, 刘宇明, 郑慧奇, 赵雪, 赵春晴.热控涂层光学性能退化模型研究[J].物理学报, 2009, 02:860-864.

[2]李丹明, 薛玉雄, 贺德衍, 王骥, 田海.电子辐射加工下氧化锌涂层光学特性变化的解析[J].真空科学与技术学报, 2011, 01:85-88.

[3]姜利祥, 刘宇明, 刘国青, 李涛, 丁义刚, 郑慧奇.热控涂层GEO带电粒子辐射效应加速试验方法[J].航天器环境工程, 2012, 05:527-531.

影响白光数码管光学性能的研究 第8篇

半导体照明是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。20世纪90年代以来,随着氮化镓为代表的第3代半导体的兴起,紫光、蓝光和白光发光二极管相继研究成功,LED作为新型高效固体光源具有长寿命、节能、绿色环保的显著优点,将成为人类照明史上继白炽灯、荧光灯之后的又一飞跃,其经济和社会意义巨大[1]。白光发光二极管(LED)按照功率等级一般分为小功率型和大功率型。功率不同,封装结构也有较大差异[2,3,4,5],小功率型白光LED的封装结构有传统单管(Lamp)型、食人鱼型、贴片型等,而大功率白光LED的封装结构一般以表面贴装为主[6]。封装技术对LED性能的好坏、可靠性的高低,起着至关重要的作用。LED要作为光源进入照明领域,必须比传统光源有更高的发光效率、更好的光学特性、更长的使用寿命和更低的光通量成本。小功率白光LED封装体内包含了多种不同材料,对光性能的影响因素中,不仅要考虑每种材料的贡献率,还要考虑不同材料之间的相互作用对性能的影响。本文将以白光数码管[7,8]为研究和实验对象,旨在揭示造成其光性能衰退的几种可能因素,为研制长寿命白光数码管提供参照。

1LED封装材料中固晶胶的影响

从电流/温度/光通量关系图可得知,散热对于LED器件是至关重要的。如果不能将电流产生的热量及时的散出,保持PN结的结温度在允许范围内,将无法获得稳定的光输出和维持正常的器件寿命。LED常用的固晶胶主要有银浆和绝缘胶。2种材料在选用时各有利弊,使用时要综合考虑其对产品性能的影响。银浆的导热性好(导热系数为:10～25 W/(mK))可以延长LED的寿命,但银浆对光的吸收比较大,导致光效下降幅度很大,同样条件下,用银浆固晶与用绝缘胶固晶,初始光通量会相差较多。在使用银浆时,胶量较多会使芯片底部银浆厚度增加,增加热阻,老化时升温较快,而且由于芯片发光特性,当银浆过多时,侧面光会被银浆吸收,也会导致温度上升,根据实验数据,在室温附近,温度每升高1 ℃,LED的发光强度会相应地减少1%左右。对于双电极的蓝光芯片,在用银浆固晶时,对胶量的控制要很严格。绝缘胶导热性较差,致使LED的寿命相对较低,但光效较高,点胶控制也没有银浆严格,图1所示分别是采用银浆和绝缘胶固晶封装的白光LED的光衰实验结果。可以看出,用银浆的寿命明显比用绝缘胶高出很多,但光效比绝缘胶低很多。

2荧光粉对白光LED光性能的影响

实现白光LED的途径很多,目前使用最为普及,也是最成熟的一种是通过在蓝光芯片上涂敷YAG:Ce荧光粉,使蓝光和黄光混合成白光[9]。如图2所示是同一成分荧光粉所产生白光的CCT分布图及其Ra值,图3则是同一波长蓝光LED但成分不同的YAG荧光粉所产生白光的CCT分布图及其Ra值,由图可知,不同的调配比例对白光LED的CCT与Ra都会有影响。

在实际应用中,随着结温升高,蓝光LED芯片和荧光粉的发光强度都会下降,而且荧光粉的发光强度下降更为显著,如图4所示。这使得白光LED的光度、色度学性能变差以及寿命缩短。荧光粉作为白光LED的关键材料之一,其温度猝灭性能会显著影响白光LED的光效、光色参数和可靠性。因此,研究具有更高温度稳定性的荧光粉是提高白光LED寿命的关键技术之一。

3配粉胶对白光LED光性能的影响

荧光粉作为粉末状物质,需要把其融入胶体中搅拌均匀后才能涂敷到蓝光芯片上。由于胶体材料直接与蓝光芯片接触,胶体材料的折射率、透光率、稳定性等对白光LED 的光学性能有极其重要的影响,因此,配粉用胶体材料的选择是白光LED封装非常关键的一步。传统封装的超高亮度白光LED,配粉胶一般采用环氧树脂或硅胶。

封装LED用的环氧树脂存在着一个重要特性,即当环氧温度超过一个特定温度,在Tg=125 ℃时,环氧树脂的特性将从一种刚性的类玻璃状态转变成一种柔软的似橡胶态状物质。当器件在此温度附近或高于此温度变化时,将发生明显的膨胀或收缩,致使芯片电板与引线受到额外的压力,而发生过度疲劳乃至脱落损坏。此外,当环氧树脂处于较高温度时,特别是与芯片临近部分的环氧树脂会逐渐变性、发黄,影响封装环氧的透光性能[10]。显然工作温度越高,这种过程将进行得越快。

由于环氧树脂存在上述现象,不宜用作配粉胶体,并认为硅胶是替代环氧树脂的理想选择。但实验发现,使用不同的硅胶呈现出不同的光衰减速率,差异很大,如图5所示。其半光衰时间一般在数千小时不等,很多低折射率硅胶比用高折射率硅胶的半光衰时间长。但使用折射率较低的硅胶,封装好的白光LED初始光通量会比用环氧树脂或高折射率硅胶低近30%左右,因此,虽然半光衰时间有了较大突破,但光通量绝对值却不高,实用性大大受限。为了进一步探讨使用硅胶配粉仍不能使白光LED达到数万小时使用寿命的原因,对光衰较快的样品解剖,又发现另外一个重要现象,就是在蓝光芯片的顶面会形成一层很薄的深黄色膜。而且实验几种不同蓝光芯片、荧光粉及配粉胶后,这层膜仍会出现。按照同样的方法,把这层膜清洗之后重新封装,其白光LED的光通量也有较大幅度的增长,充分说明这层膜对光衰的巨大影响。见图6所示膜清洗后不同折射率硅胶封装的白光LED光衰情况。

4结语

更多实验结果表明,当正向电流流经PN结,发热性损耗使结区产生升温,在室温附近,温度每升高1 ℃,LED的发光强度会相应地减少1%左右,光效随着温度的升高几乎线性降低。当温度不太高时,芯片冷却后,光效还会有所升高,有恢复性。但长期工作在较高温度下,其光效的恢复性会不断下降,导致其寿命大大缩短。因此,温度是影响LED使用寿命的主要因素之一。

国内封装制造的白光LED半光衰时间多集中在数千小时以内。这样的白光LED,造成其光衰的主要因素是固晶胶和配粉胶,而蓝光芯片、荧光粉、灌封胶等材料对光衰的贡献处于相对次要的位置。这2种材料直接与蓝光芯片接触,正确选择和使用好固晶胶和配粉胶是制备长寿命白光LED的关键,同时,芯片、胶体等不同材料之问的相互作用也应得到相当重视,这为深入研究白光LED的封装结构、不同物质之间的匹配及其相互作用提供了新的研究方向和课题。

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红外导引头光学性能有限元分析 第9篇

红外导引头具有制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、结构紧凑、机动灵活等特点,已成为精确制导的重要技术手段,其工作性能的好坏直接影响着导弹的飞行精度[1]。导弹在飞行过程中要经历严酷的动力学环境[2,3],而红外导引头作为导弹仪器舱内部的有效载荷,其光学系统尺寸有可能发生较大变化[4],因此对红外导引头在动力学环境下的光学性能必须予以关注。利用有限元方法可以实现对红外导引头的光学性能预示[5],即通过建立结构有限元模型并计算其在工作环境下的力学响应来获取光学系统尺寸变化,但由于建模过程中存在边界条件不确定和连接方式简化等误差源,使有限元模型和实际结构之间存在着偏差,需要对模型加以修正才能进行结构力学分析以确保分析结果的可信度。红外导引头光学系统设计指标如下:光学元件镜面最大转角偏差为3″,最大位移偏差为1μm。

本文利用模型修正的有限元方法对红外导引头进行了光学性能分析,在有限元建模过程中采用复合材料单元模拟部件之间连接关系,并以红外导引头模态试验测试参数为基准,通过反复修改复合材料单元的特性参数使模态分析与试验结果相一致。将修正好的模型用于红外导引头瞬态振动与过载仿真计算,获得光学系统各光学元件的镜面变形结果,对红外导引头在动力学环境下的光学性能进行了评价,为结构设计进一步优化提供了参考依据。

1 有限元模型

1.1 有限元模型建立

红外导引头结构由主镜组件、次镜组件、三镜组件、红外探测器组件组成,构件有限元模型直接由屏幕样机生成以保证几何数据与真实结构一致,根据构件几何特征确定对其进行离散化的单元类型。

主镜组件:主镜是圆盘形实体,采用六面体单元划分;主镜室是由筋板圆周分布而成,划分为壳单元。

次镜组件:次镜是圆盘形实体,采用六面体单元划分;次镜支撑是悬臂梁支撑结构,采用壳体单元组合划分,支撑筋板用壳单元,两端环形座用体单元,壳与体之间连接引入罚单元进行协调。

三镜组件:三镜是圆盘形实体,采用六面体单元划分;三镜支撑是横纵筋板分布的筒状结构,划分为壳单元。

红外探测器组件:红外探测器用等效质量单元代替;红外探测器支撑是薄臂筒状结构,采用壳单元划分。

红外导引头实际装配结构是将各构件用螺钉连接在一起,螺钉连接在有限元方法中属于非线性问题,求解需要耗费较长的计算时间和较大的计算资源,不宜于结构工程化阶段设计参数的快速优化,因此对构件之间螺钉连接进行线性化处理。在构件之间的配合接触面建立复合材料单元,构件与复合材料单元之间用节点直接对接以模拟螺钉连接。划分完的红外导引头结构模型单元总数1 030,节点总数1 538,光轴方向为Z向,有限元模型示意图如图1所示。

1.2 有限元模型修正

在有限元建模过程中,由于结构离散化、材料属性、边界条件等方面的误差,使有限元模型与实际结构之间存在偏差,有必要通过试验对有限元模型进行修正。模型修正就是经模态相关性分析、误差源确定及模型修改而获得精确的有限元计算模型[6,7],本文将红外导引头模态试验与计算结果进行相关性分析,并确定构件之间连接方式为主要误差源,通过反复修改构件接触面复合材料单元的特性参数使计算与试验结果达到较好的相关性。红外导引头模态试验采用试件自由悬挂方式以锤击法完成,通过Agilent E1432A动态分析仪进行数据测试与分析。模型经过多次修正,获得了较好的模态相关性分析结果,计算和试验前6阶模态相关性系数见表1。

从表中看出,对角线上的相关性系数都在0.8以上,阵型基本一致(限于篇幅,阵型图省略)、频率相对误差在6%以内,模态计算与试验结果相关性很高,说明修正后的模型可以进行下一步的力学分析。

2 分析与计算

2.1 工况载荷

红外导引头在导弹飞行过程中经历的动力学环境主要是瞬态振动与过载,瞬态振动是由导弹内部发动机工作引起的周期性瞬态载荷,而过载是由导弹飞行轨迹及姿态调整引起的惯性载荷,红外导引头光学性能分析就是计算结构在瞬态振动与过载作用下的光学系统位移响应。

瞬态振动:载荷函数为用时域描述的梯形波,幅值5.7 g,波形如图2所示,沿X、Y方向加载,基础输入。

过载载荷:主要考虑横向过载,载荷幅值为6 g,沿Y方向加载,静载荷输入。

2.2 约束条件

红外导引头是通过主镜室的螺钉连接与导弹仪器舱固定在一起的。由于本文仅限于研究红外导引头本身结构位移,故忽略螺钉连接处的刚度特性,采用全固支边界条件,即将主镜室与仪器舱连接处的节点自由度全约束。

2.3 分析结果

红外导引头光学系统在动力学环境下的位移响应是保证结构可靠性最重要的指标,直接影响着导弹的技战术性能,因而在动力学环境下的光学系统尺寸稳定性是红外导引头结构设计最为关注的问题。利用nastran结构分析软件对红外导引头结构进行动力学环境仿真分析,瞬态振动的仿真分析是通过nastran软件的瞬态响应分析功能实现的,瞬态响应分析是在时域范围内计算结构在随时间变化载荷作用下的动力响应,分为直接法和模态法,本文采用直接瞬态响应分析法以提高求解效率,由于无法提供较为准确的结构阻尼系数,根据以往经验设定其值为0.05,而过载的仿真分析是按照静载分析进行的,通过红外导引头瞬态振动与过载仿真分析,得出光学系统各光学元件的镜面变化,分析结果见表2～4。

从分析结果可以看出,各动力学环境工况下的镜面转角小于3″,光学镜面位移值小于1μm,光学系统镜面位移与倾角均在许用范围内,表明红外导引头在动力学环境作用下,不会产生光轴漂移及镜面畸变,结构设计可靠性较高,满足光学系统捕获目标的要求。但从分析结果与设计指标的对比中也可发现,光学镜面变形偏小,相比设计指标有过多的余量,表明结构刚度储备过大,结构尺寸可进一步优化,以减轻仪器重量。

2.4 成像试验

红外导引头成像试验是通过光斑测试仪进行的,定量测量了光学系统像面上的能量分布及其透过率,试验结果表明目标光斑的质量较好,满足系统的像质要求和能量要求,图3为目标光斑成像图。由于现在的光学测试技术还无法在动态环境下进行光学系统形变测试,因此光学性能仿真分析是预估光学系统在动力学环境下尺寸稳定性的有效方法。

3 结论

由于飞行速度和机动性提高,导弹在飞行过程中会承受十分恶劣的动力学环境,而红外导引头是导弹内部的光学探测设备,其光学特性有可能产生变化以至影响导弹技战术性能,因此要求红外导引头光学系统在动力学环境下具有良好的尺寸稳定性,以保证视轴及镜面的变化在许用范围内。

本文利用模型修正有限元方法对红外导引头结构进行过载与瞬态振动仿真分析。分析结果表明,红外导引头在动力学环境作用下的光学镜面相对转角小于3″,光学镜面位移值小于1μm,光学系统视轴及镜面变形均在许用范围内,不会产生光轴漂移及镜面畸变,结构设计可靠性较高,满足导弹对红外导引头光学系统的性能要求。

参考文献

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