光電材料

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更新時間: 2013-09-04

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光電材料是指用於製造各種光電設備(主要包括各種主、被動光電感測器光信息處理和存儲裝置及光通信等)的材料,主要包括紅外材料、激光材料、光纖材料、非線性光學材料等。下面主要介紹一下紅外材料、激光材料及其在軍事領域的應用。

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1 光電材料 -光電材料

光電材料是指用於製造各種光電設備(主要包括各種主、被動光電感測器光信息處理和存儲裝置及光通信等)的材料,主要包括紅外材料、激光材料、光纖材料、非線性光學材料等。下面主要介紹一下紅外材料、激光材料及其在軍事領域的應用。 

2 光電材料 -1、紅外材料

紅外材料主要有兩類:紅外探測材料和紅外透波材料。
   紅外探測材料包括硫化鉛、銻化銦、鍺摻雜(金、汞)、碲錫鉛、碲鎘汞、硫酸三甘酞、鉭酸鋰、鍺酸鉛、氧化鎂等一系列材料,銻化銦和碲鎘汞是目前軍用紅外光電系統採用的主要紅外探測材料,特別是碲鎘汞(Hg-Cd-Te)材料,是當前較成熟也是各國側重研究發展的主要紅外材料。
它可應用於從近紅外、中紅外、到遠紅外很寬的波長範圍,還具有以光電導、光伏特及光磁電等多種工作方式工作的優點,但該材料也存在化學穩定性差、難於製成大尺寸單晶、大面積均勻性差等缺點,Hg-Cd-Te現已進入薄膜材料研製和應用階段,為了克服該材料上述的缺點,國際上探索了新的技術途徑:
(1)用各種薄膜外延技術製備大尺寸晶片,這些技術包括分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)和金屬有機化合物氣相澱積(MOCVD)等。特別是用MOCVD可以制出大面積、組分均勻、表面狀態好的Hg-Cd-Te薄膜,用於製備大面積焦平面陣列紅外探測器。國外用MOCVD法已製成面積大於5cm2、均勻性良好、Δx=0.2±0.005、工藝重複性好的碲鎘汞單晶薄膜,64×64焦平面器件已用於型號系統、512×512已有樣品。
(2)尋找高性能新紅外材料取代Hg-Cd-Te,主要包括:
①Hg-Mn-Te和Hg-Zn-Te,美國和烏克蘭等國從80年代中就開展了這方面的研究,研究表明,Hg1-xZnxTe和Hg1-x CdxZnyTe的光學特性和碲鎘汞很相似,但較容易獲得大尺寸、低缺陷的單晶,化學穩定性也更高。Hg1-xMnxTe是磁性半導體材料,在磁場中的光伏特性與碲鎘汞幾乎相同,但它克服了Hg-Te弱鍵引起的問題。
②高溫超導材料,現處於研究開發階段,已有開發成功的產品。 
③Ⅲ-V超晶格量子阱化合物材料,可用於8~14μm遠紅外探測器,如:INAS/GaSb(應變層超晶格)、GaAs/AlGaAs(量子阱結構)等。 
④SiGe材料,由於SiGe材料具有許多獨特的物理性質和重要的應用價值,又與Si平面工藝相容,因此引起了微電子及光電子產業的高度重視。SiGe材料通過控制層厚、組分、應變等,可自由調節材料的光電性能,開闢了硅材料人工設計和能帶工程的新紀元,形成國際性研究熱潮。Si/GeSi異質結構應用於紅外探測器有如下優點:截止波長可在3~30μm較大範圍內調節,能保證截止波長有利於優化響應和探測器的冷卻要求。Si/GeSi材料的缺點在於量子效率很低,目前利用多個SiGe層來解決這一問題。
〔6〕1996年美國國防部國防技術領域計劃將開發先進紅外焦平面陣列的工作重點確定為:研製在各種情況下應用(包括監視和夜間/不利氣象條件下使用的紅外焦平面陣列)的紅外探測器材料,其中包括以如下三種材料為基礎的薄膜和結構:具有晶元上處理能力的GgCdTe單片薄膜、InAs/GaSb超晶格和SiGe(肖特基勢壘器件)。這三種材料也正是當前紅外探測材料發展和研究的熱點。紅外透過材料主要用作紅外探測器和飛行器中的窗口、頭罩或整流罩等,它的最新進展和發展方向如下:
(1)目前,在中紅外波段採用的紅外透過材料有鍺鹽玻璃、人工多晶鍺、氟化鎂(MgF2)、人工藍寶石和氮酸鋁等,特別是多晶氟化鎂,被認為是綜合性能比較好的材料。遠紅外材料是紅外透過材料當前研究發展的重點之一,8~14μm長波紅外透過材料有:硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、硫化鑭鈣(CaLa2S4)、砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)和鍺(Ge)等。ZnS被認為是一種較好的遠紅外透過材料,在3~12μm範圍,厚2mm時,平均透過率大於70%,無吸收峰,採取特殊措施,最大紅外透過率達95.8%。國外已採用ZnS作為遠紅外窗口和頭罩材料,象美國的LANTRIRN紅外吊艙窗口,Learjel飛機窗口等。美國Norton國際公司先進材料部每年生產上千個ZnS頭罩。ZnS多晶體的製備方法主要有兩種:熱壓法與化學氣相澱積法(CVD),CVD法製備的材料性能較好。 紅外透過材料發展的另一個重要方向是:耐高溫紅外透過材料的研究。高速飛行器在飛行過程中會對紅外窗口和罩材產生高溫、高壓、強烈的風砂雨水的沖刷和浸蝕,影響紅外透過材料的性能,因此需要一系列新型的耐高溫、具有綜合光學、物理、機械、化學性能的新材料。這些條件下使用的理想材料從室溫到1000℃應具有下列特性:在使用波段內具有高透過,低熱輻射、散射及雙折射,高強度,高導熱係數,低熱膨脹係數,抗風砂雨水的衝擊和浸蝕,耐超聲波輻射等。
最近研究較多的耐高溫紅外透過材料有鎂鋁尖晶石、蘭寶石、氧化釔、鑭增強氧化釔和鋁氧氮化物ALON等。鎂鋁尖晶石是近年來研究最多的最優秀的紅外光學材料之一,它能在高溫、高濕、高壓、雨水、風砂衝擊及太陽暴晒下仍保持其性質,因而是優先選用的耐高溫紅外透過材料,它可透過200nm到6μm的紫外、可見光及紅外光。單晶監寶石也是一種耐高溫紅外材料,它可透過從遠紫外0.17μm到6.5μm的紅外光,用新研製的熱交換法晶體生長過程可以製造直徑達25cm的大尺寸藍寶石。氧化釔和鑭增強氧化釔的透過波長為8μm,在氧化釔中摻入氧化鑭,材料強度提高30%,光學特性不變。由於高溫下具有很高的硬度,所以它具有很好的抗衝擊、抗浸蝕性能。嚴格的說到目前還沒有一種理想的材料能完全滿足上述要求。但包括上述材料在內的不少材料具有較理想的綜合性質。紅外透過材料的第三個發展方向是:紅外/毫米波雙模材料,這是為適應紅外/毫米波雙模複合材料制導技術的需要。
目前,還沒有一種材料能滿足紅外/毫米波雙模材料既要有高的遠紅外透過率又有小的介電常數和損耗角正切的要求,高性能的紅外/毫米波雙模材料尚待進一步研究發展。紅外材料的應用:包括各種導彈的制導、紅外預警(包括探測、識別和跟蹤、預警衛星、預警飛機、各種偵察機等)、觀察瞄準(高能束攔截武器等)。 

3 光電材料 -2.激光材料

目前固體激光器正尋求在可見和近可見光譜範圍波長可調,為此而發現的可調諧激光晶體已有30多種,其中,Cr3 離子摻雜新晶體具有較高受激輻射截面和低飽和能量密度,它們的波長範圍是:Cr3 :LiCaAlF3為0.72~0.84μm、Cr3 :LiSrAlF6為0.78~1.01μm,特別是Cr:LiSAF,它的飽和能量密度為5J/cm2,在激光調諧範圍,熒光壽命、激光效率、熱透鏡效應等方面具有良好的性能。 

4 光電材料 -3 光電材料在軍事領域的應用

軍用光電材料研究的目的是將研究成果應用於新一代高技術光電子裝備系統,提高電子進攻和防衛綜合電子戰的能力。軍用光電材料是軍用光電子技術的重要基礎,對軍用光電子裝備系統有重要的賦能和倍增作用。以紅外材料為基礎的光電成像夜視技術能增強坦克、裝甲車、飛機、軍艦及步兵的夜戰能力,為航空、衛星偵察、預警提供重要手段,成像制導技術可大大提高導彈的命中率和抗干擾能力。以新型固體激光材料為基礎的激光測距、激光致盲武器和火控制系統等使作戰能力大大加強。可調諧激光晶體為從可見光到紅外波段可調諧激光系統提供工作物質可提高激光雷達、空中感測和水下探測等軍用激光系統的領域監視、偵察能力。利用光纖材料、寬頻、抗電磁和強核電磁脈衝干擾、保密、體積小、環境適應性強和抗輻照等優點,可實現地面武器系統無人遠距離感測陣和有人控制站之間的GB/s級信息傳輸;艦船指揮可以通過光纖為遠距離艦隊發送信號,進行指揮;飛機將能發射光纖攜繩的機載無人加強飛機或靶機;以往的武器有線制導將被光纖制導所取代;軍用運載體的慣性導航系統將被光纖陀螺所取代;戰略武器發射的C3I系統也將啟用光纖C3I網路等等。總之,軍用光纖系統的應用,將遠遠超越話音和低速率數據通信的範圍,而進入感測、海上或空中武器平台及各種高速率傳輸系統。

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