新型光学材料

光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。光学材料包括发光材料、光纤材料、红外材料和光色材料等。光学材料在国民经济和人民生活中发挥重要作用，也是人类社会必不可少的功能材料。新型光学材料是指近十年来，随着现代光学，光电子及信息技术的发展而兴起的光电数码产品和信息产品所应用的光学材料。其特点是技术含量高，制作难度大，光学性能优异的。

本论文着重论述几种现在正在广泛研究并对日常生活起到重要作用的新型光学材料：有机电致发光材料和新型光致发光材料，掺稀土元素光纤和光子带隙型光子晶体光纤，红外材料中热光电红外材料。

关键词：新型光学材料；发光材料；光纤材料；红外材料；光色材料

ABSTRACT

Optical materials are the transmission materials of light, which change the light direction, intensity and phase by the refraction, reflection and transmission, so that the light can transport through predetermined path. Besides, optical materials can change the spectral composition of light by absorbing or passing a certain wavelength. Optical materials include luminescent materials, fiber materials, infrared materials and photochromic materials. Optical materials not only play an important role in the national economy and people's lives, but also are essential functional materials of human society. New optical materials are suitable to electro-optical digital and information products and rise in pace with modern optics, optoelectronics and information technology development in the last decade. They are characterized by high-technology, difficult-produce and outstanding optical performance.

This paper focuses on several new optical materials which is extensive studied now and play an important role in daily life. They are: organic electroluminescence materials and new photoluminescence materials, rare earth-doped fiber materials, PBG-Photonic Crystal Fiber and thermophotovoltaic infrared materials. 

Key words： new optical materials; luminescence materials; fiber materials; infrared materials; photochromic materials

目    录

摘要 ………………………………………………………..…….….…………….. . 

ABSTRACT…..…..…..…..……..………………….……………………..……………. 

1 前言……………………….…………………………………………….………………..1

1.1选题背景与意义………...............................…………….………….………..1

1.2 论文研究内容...........................……….......…………….………….………..2

2新型发光材料........…..............……..….………………………….…..….………….3

2.1 发光材料概述……………………………………………………………..3

2.1.1发光的过程和特征 ………………………………………………………..3

2.1.2发光材料的分类 ....……..….………………………….…..….…………. 4

2.2新型发光材料…………………………….………………...………………..4

2.2.1有机电致发光材料…………………………….…………………………...4

2.2.2等离子体显示材料…………………………….…………………………...8

2.2.3 电致变色材料……………………………………………………………11

3 新型光纤材料 ........…..............……..….………………………….…..…….………. 12

3.1 光纤材料概述 ……………………………………………...…………………. 12

3.1.1 光纤的产生和发展....……..….………………………….…..…….…… 12

3.1.1 光纤的结构及分类....……..….………………………….…..…….…… 12

3.2新型光纤材料…………………………….………………...………………..14

3.2.1 掺稀土元素光纤材料....……..….…………………………..…….…… .14

3.2.2 光子带隙型光子晶体光纤..……..…………………………..…….…… 15

4 新型红外材料 ........…..............……..….………………………….…..…….………. 18

4.1 红外材料概述……………………………………………...…………………....18

4.1.1 红外线与红外材料……………………………...……………….………18

4.1.2 红外材料的用途 ………………………………………………………..18

4.2 新型红外材料 ……………………………………………………...…………..19

4.2.1 热光电应用中的红外材料........................................................................19

4.2.2 红外光学中的常用材料…………………………………………………21

5 新型光色材料 …………………………………………………………………………23

5.1 光色材料概述 ………………………………………………………………….23

5.1.1 光色材料的变色过程 …………………………………………………..23

5.1.2 光色材料的分类 ………………………………………………………..23

5.2 新型光色材料 ………………………………………………………………….24

5.2.1多酸及多酸盐材料 ……………………………………………………...24

5.2.2螺吡喃类化合物 ………………………………………………………...25

结论......................………….………….……………………..….……...…..….………...26

参考文献......................…………….…………………..….…..……………….………….27

致谢......................………………….……………………..…….…………...…………….28

附录......................…………………..…….. . .….. .….. .…...…………………….………29

1 前言

1.1 选题背景与意义

光充满着整个宇宙，各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。

春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后， 欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。

科学研究、工农业生产和人类生活等需要使用显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器，核心部分都是由光学材料制造的光学零件。光学材料已成为人类社会必不可少的功能材料。

光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。光学材料包括发光材料、光纤材料、红外材料和光色材料等。

随着越来越多的发光材料的出现，推动了显示技术以及照明技术的发展，LED作为一种绿色照明技术，受到了国家和社会的重视，以液晶显示(LCD)，等离子体显示(PDP)，有机发光二极管显示(OLED)为代表的显示技术在人们的日常生活中起着重要作用。光纤以及随后出现的各类光纤材料，极大推动了通信技术的发展，是通信历史上的一个转折点，进入了光纤通信的时代。红外材料使人们把对光的探索带到了红外光波段，因为与热辐射有密切关系，使得红外光对对人类具有重要的应用价值。光色材料在光波导，光调制以及光存储中具有重要的作用。事实证明，光学材料在科学研究，国民经济和人民生活中发挥重要作用。

新型光学材料是指近十年来，随着现代光学，光电子及信息技术的发展而兴起的光电数码产品和信息产品所应用的技术含量高，制作难度大，光学性能优异的光学材料。新型光学材料以其优异的特性和广泛的应用得到了世界的关注，成为材料领域研究的热门领域。我国对新型光学材料的研究也已经有了长足的进展，在光学晶体的制备方面已达到世界先进水平，但总体上还不能满足高科技发展的需要 [1]。 

开展对光学材料的研究，对促进我国新型光学材料事业的发展，更好的服务于科技和国防现代化建设，促进我国经济社会的发展，推动人们生活水平的提高，超赶世界先进水平具有积极的带动作用。

1.2 论文研究内容

1. 光学材料特性

不同的光学材料之所以发挥着不同的作用，就是因为它们有不同的特性。本论文首先分析发光材料，光纤材料，红外材料以及光色材料的特性，如它们的应用原理和一些基本特征。力求阐述每种光学材料的与众不同之处，并以此为基础，对其潜在价值加以研究。

2. 光学材料的最新进展

如同其他事物一样，光学材料从诞生之日起，就一直在不断发展。现在的光学材料不仅包括从传统的光学材料(如透镜和普通光学玻璃),更与现代科技相融合，产生了许多高性能的光学材料。本论文致力于研究目前主流的并具有广泛应用价值的新型光学材料，论文主要涉及研究的新型光学材料有：(1) 有机电致发光材料，新型PDP材料，电致变色材料等新型发光材料；(2) 掺稀土元素光纤材料, 光子带隙型光子晶体光纤等新型光纤材料；(3) 热光电应用中的红外材料以及红外光学中的常用材料；(4) 多酸及多酸盐材料，螺吡喃类化合物等新型光色材料。

3. 光学材料的发展方向：

(1) 超高密度高分子存储材料：开发存储密度高的高分子材料；

(2) 高分子传输材料：研究和开发应用于通讯传输的具有较高光学透过性，光学均匀，且高折射率、低光损耗的高分子塑料光纤； 

(3) 高分子显示材料：有机／高分子电致发光材料、高分子液晶材料等，其发展方向为开发出具有高的电致发光效率、低驱动电压，具有不同发光波长（彩色）和长寿命的各种发光器件。

2 新型发光材料

2.1 发光材料概述

2.1.1 发光的过程和特征

一、发光的过程

发光是一种物体把吸收的能量，不经过热的阶段，而直接转换为光辐射的现象。吸收能量，然后转化为光的材料成为发光材料。

现在，荧光灯和成像系统中的发光材料处于能量转化链的最末端，并且可以辐射出处在可见、红外和紫外波段的光子 [2]。

材料发光的微观过程为：

(1) 材料吸收外界的能量，产生高能电子和空穴；

(2) 高能电子和空穴经过相互碰撞，有产生能量较低的电子和空穴；

(3) 这个过程一直持续下去，直到电子的能量降低到和发光体的禁带能量相匹配为止，期间发出光子，产生光。

二、发光的特征

发光的第一个特征是颜色。发光材料的发光颜色彼此不同，都有它们各自的特征。已有发光材料的种类很多，它们发光的颜色也足可覆盖整个可见光的范围。材料的发光光谱(发射光谱)可分为下列三种类型：

宽带：半宽度—100 nm，如CaWO4；

窄带：半宽度—50 nm，如Sr(PO4)3Cl:Eu3+；

线谱：半宽度—0.1 nm，如GdVO4:Eu3+。

发光的第二个特征是强度。由于发光强度是随激发强度而变的，通常用发光效率来表征材料的发光本领，发光效率也同激发光强度有关。在激光出现前，电子束的能量较高，强度也较大，所以一般不发光或发光很弱的材料，在阴极射线激发下则可发出可觉察的光或较强的光。

激光出现后，因激光的强度可≥107 W/cm2，在它激发下除了容易引起发光外，还容易出现非线性效应，包括双光子或多光子效应，易引起转换，如将红外光转换为可见光。发光效率有三种表示方法：量子效率、能量效率及光度效率。量子效率指发光的量子数与激发源输入的量子数的比值；能量效率是指发光的能量与激发源输入的能量的比值；光度效率指发光的光度与激发源输入的能量的比值。

发光的第三个特征是发光持续时间。最初发光分为荧光及磷光两种。荧光是指在激发时发出的光，磷光是指在激发停止后发出的光。发光时间小于10-8 s为荧光，大于10-8 s为磷光。 

2.1.2 发光材料的分类

发光材料可以按照激发能量方式的不同进行分类，如表2.1所示：

表2.1 发光材料分类

2.2 新型发光材料

虽然人们长久以来对阴极射线管(CRT)和荧光灯所用材料开展的研究从未停止，但不可否认的是,经过30年的探索，这些材料的性能已接近物理极限。现在以及未来对发光材料的要求一方面是小型化，提高寿命以及发光光谱的稳定性，另一方面(对于成像系统来说)应具有高的亮度和对比度。同时也要求发光材料在不同工作条件下要具有较高的稳定性。

2.2.1 有机电致发光材料

一、有机电致发光的优缺点

在所有的电致发光材料中，有机发光二极管(Organic Lighting Emitting Diode, OLED)是最近10年来兴起的一种新型的显示发光材料，具有许多传统显示材料无法比拟的优势。OLED的优点：

　　1. 厚度可以小于1毫米，仅为LCD屏幕的1/3，并且重量也更轻；

　　2. 固态机构，没有液体物质，因此抗震性能更好，不怕摔； 

　　3. 几乎没有可视角度的问题，即使在很大的视角下观看，画面仍然不失真； 

　　4. 响应时间是LCD的千分之一，显示运动画面绝对不会有拖影的现象； 

　　5. 低温特性好，在零下40°C时仍能正常显示，而LCD则无法做到； 

　　6. 制造工艺简单，成本更低； 

　　7. 发光效率更高，能耗比LCD要低； 

　　8. 能够在不同材质的基板上制造，可以做成能弯曲的柔软显示器。

　　我们看到OLED相比目前主流的LCD有一些无法比拟的优势，当然目前的OLED还存在一些缺点需要技术上的解决，当这些问题解决后将会是OLED大面积走入市场主流的日子。

　　目前的OLED存在的主要问题有：

1. 寿命通常只有5000小时，要低于LCD至少1万小时的寿命；

2. 不能实现大尺寸屏幕的量产，因此目前只适用于便携类的数码类产品；

3. 存在色彩纯度不够的问题，不容易显示出鲜艳、浓郁的色彩。

二、有机电致发光的发光原理及结构

有机电致发光是指发光层为有机材料，而且属于在电场作用下被激发而发光的现象。其发光原理为：由电极注入的电子与空穴在有机发光材料中复合释放能量，把有机发光分子激发到高能态，受激发光分子从高能态回到基态的过程中以光子的形式发出能量，实现发光。该过程可表示为：

(1) 电子+空穴→能量；

(2) 基态发光分子+能量→受激发光分子；

(3) 受激发光分子→基态发光分子+能量。

有机电致发光材料中最简单的结构如图2.1所示，这是单层电致发光材料的典型结构，即把有机发光材料薄膜加载两个能注入载流子的电极之间，当电极上加偏压时，电子和空穴分别从阴极和阳极注入，在有机发光材料中复合，然后导致发光 [4]。

其实对于绝大多数有机发光材料来说，都是偏一极化的，即材料的导电性质不是传输电子就是传输空穴，能同时具有两种传输材料的有机材料甚少。所以对于电子型导电材料，上述结构中的发光层其实有两部分构成，分别为传输电子的发光层和空穴传输层。而对于空穴型导电材料，上述发光层对应的的两部分分别为传输空穴的发光层和电子传输层。

图2.1  单层电致发光材料的结构图

三、有机电致发光材料

由有机电致发光材料的结构图可以看出，有机电致发光材料可以分为：电极材料、载流子传输材料和发光材料。

(一) 电极材料

1. 阴极材料

阴极的作用是发射电子，为了提高电子的注入效率，故阴极应该选用功函数尽可能低的材料。目前常用的阴极材料有以下几种：

(1) 金属

具有低功函数的金属都可以用作阴极材料，如银，镁，铝，锂，钙等。其中最常用的是铝，这主要考虑了稳定性和价格因素。

(2) 合金

虽然从提高注入电子效率的角度考虑，低功函数的金属更适合做阴极材料，但低功函数的金属在空气中易被氧化，导致用低功函数金属做的阴极稳定性不高。为了解决这个问题，可以把低功函数的金属和高功函数且化学性质稳定的金属一起蒸发做成合金。其优点是既保持了高的注入效率，同时提高了阴极的稳定性。

目前比较常用的有两种合金，它们分别是Mg:Ag(10:1)和Li:Al(0.6%Li)。前者的功函数是3.7 eV,后者的功函数是3.2 eV。

2. 阳极材料

为了提高空穴的注入效率，要求阳极的功函数尽可能高。对于有机电致发光材料要求一侧的电极是透明的，所以阳极一般采用高功函数的半透明金属(如金)、透明导电聚合物(如聚苯胺)和ITO(如氧化铟锡)导电玻璃。最普遍采用的阳极材料是ITO，因为ITO对400-1000 nm的光波具有较高的透过率，可达80%。

(二)载流子传输材料

载流子分为空穴和电子，故载流子传输材料可分为空穴传输材料和电子传输材料。

1. 空穴传输材料

良好的空穴传输材料应具有的特性是：(1) 较高的热稳定性；(2) 与阳极的电位势垒较小；(3) 能真空蒸镀形成无针孔的薄膜。

现在最常用的空穴传输材料是N,N'-二苯基-N,N'-二(3-甲基苯基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺。这种材料简称为TPD。

图2.2 TPD的结构图                 图2.3 NPB的结构图

另一种常用的材料是N,N'-二苯基-N,N'-(1-萘基)-1,1'-联苯-4,4'-二胺。这种材料简称为NPB。

以TPD为例，它的电离电位是5.5 eV左右，而且分子中的N原子具有很强的给电子能力，即显示正电性，在电子的不间断给出过程中表现出空穴的迁移特性，而且具有高的迁移效率。

2. 电子传输材料

在有机电致发光器件中，对于电子发光材料的要求是：

(1) 有较高的传输电子的能力；

(2) 与发光材料的能级要匹配。

电子传输材料用的最多的是金属螯合物，如Alq3(C27H18AlN3O3)，  PBD(C20H14N2O) [5]。

图2.4 Alq3的化学结构                 图2.5 PBD的化学结构

(三) 发光材料

发光材料在电致发光器件中起着至关重要的作用，在有机电致发光器件中，对发光材料有下列几点要求：

(1) 高的量子效率，且荧光光谱主要分布在400-700 nm可见光波长范围内；

(2) 高的半导体特性，要么能传导电子，要么能传导空穴，或者两者兼有；

(3) 良好的热稳定性。

目前，人们把有机发光材料分为两类，即有机小分子发光材料和有机高分子发光材料。有机小分子发光材料的相对分子质量为500-2000。多节有共轭杂环及各种生色团，结构易于调整，引入烃键，苯环等不不饱基因及各种生色团来改变其共轭长度，从而使化合物光电性质发生改变。有机高分子发光材料的相对分子质量为104-105，且高分子发光材料具有制备简单，成本低廉，能够弯曲等特点。

1.有机小分子发光材料

最有代表性的有机小分子发光材料是电子传输型的金属螯合物：8-羟基喹啉铝(Alq3),化学结构件图2.4。它发射的峰值波长是520 nm的绿光。在固态下，它的发光效率是10% 左右。

高效有机电致发光器件最早的结构就是用电子传输型的发光材料夹在空穴传输层与阴电极之间的双层结构。

2.高分子发光材料

聚对苯乙炔(Polyphenyl Acetylene，PPV)及其衍生物是最早用于电致发光的高分子有机聚合物，也是目前共轭聚合物电致发光研究的重点。这种材料的优点是具有很强的电致发光功能，其能带宽度为2.2 eV，即可发出红绿色光。而且在14 V正向电压作用下，量子效率高于0.05%。

现在对高分子聚合物的研究着重于对其进行化学修饰，一方面要提高聚合物的溶解性，另一方面可以改变发光颜色。如在苯环上引入烷氧基，制成苯乙炔(MEH-PPV),这可以引起发光颜色向红色方向移动。图2.6即是苯乙炔(C8H6)的化学结构。

图2.6 苯乙炔的化学结构             图2.7 聚乙烯咔唑的化学结构

近来，比聚对苯乙炔(Polyphenyl Acetylene，PPV)发光效率更高的聚乙烯咔唑(PVK)已经用于OLED的基质材料，其化学结构式见图2.7。由于咔唑基的存在，使它有很强的空穴传输能力，因此在电致发光器件中，常被用于空穴传输层。在这种空穴传输材料中，一方面降低了小分子电致发光材料的结晶性(有机空穴传输材料的薄膜经过长时间的“老化”后，常有在结晶的取向)，提高了器件的寿命，同时增加了电子-空穴复合的机会，因此提高了发光效率。

2.2.2 新型PDP材料

最近十几年来兴起的等离子体显示器(Plasma Display Panel, PDP)是光致发光显示器的典型代表，也是继CRT, LCD后的正在广泛应用的新一代显示器。

一、等离子体显示器特点

等离子体显示器的特点是：

(1) 工作寿命长，是显像管的好几倍，一般的单色PDP可达10万小时，彩色PDP可达3万小时之多。

(2) 存储功能，因此它可以工作在存储方式中，使显示屏的亮度得到提高。

(3) 容易制成大面积的显示屏，现在已经能制成约70 in(英寸)的大屏幕。

(4) 显示屏的厚度很薄，因PDP屏的自身厚度只有1 cm左右，远远小于显像管的厚度，因此可做成平板式显示器。

等离子体显示技术之所以令人激动，主要出于以下两个原因：可以制造出超大尺寸的平面显示器(50英寸甚至更大）；与阴极射线管显示器不同，它没有弯曲的视觉表面，从而使视角扩大到了160度以上。另外，等离子体显示器的分辨率等于甚至超过传统的显示器，所显示图像的色彩也更亮丽，更鲜艳。

二、等离子体显示器原理

等离子体显示技术的基本原理是这样的：显示屏上排列有上千个密封的小低压气体室（一般都是氙气和氖气的混合物），电流激发气体，使其发出肉眼看不见的紫外光，这种紫外光碰击后面玻璃上的红、绿、蓝三色荧光体，它们再发出我们在显示器上所看到的可见光。这个过程就是光致发光过程，此过程可表示为：

1. 电极加电压，正负极间激发放出电子，电子轰击惰性气体，发出真空紫外线；

2. 真空紫外线射在荧光粉上，使荧光粉发光[6]。PDP发光的原理图如图2.8所示：

图2.8 PDP发光的原理

三、制作PDP的新材料 

PDP的结构如图2.9所示，其基本结构是由前后两块玻璃基板组成的，每个基板包含许多平行电极，在前基板上制作有汇流电极、透明电极、支撑电极等；后基板上则有与前基板上电极互相垂直的电极与壁障，涂有荧光粉。

(一) 基板玻璃

在AC-PDP (交流等离子显示器)与DC-PDP (直流等离子显示器)中，铅玻璃常常被用作介电层的基底。这是因为铅玻璃具有良好的电气特性，并能在600℃的温度以下烧结。但由于铅有较强的氧化还原性，在烧结中，会与氧化还原性小于其他金属电极材料，例如镍等发生反应，使铅玻璃中以离子形式存在的铅变成金属铅。又因铅的熔点低，蒸汽压强高，这就会在基底玻璃与电极材料间生成气泡，降低两种材料粘接的强度。为了避免这种现象的发生，美国Ferro公司做了较为成功的研究工作。[6]

Ferro公司的主要做法是在玻璃中加入陶瓷成分，通过改变陶瓷流填充物的量来改变基底玻璃的微结构与流体性；同时，采用把镍、玻璃焊料与高氧化性元素掺在一起，以用作阴极材料(材料代号为FX51-025)的做法，也可以用一些性能相近的金属材料代替镍作为阴极材料。该公司以银作为其PDP的电极材料 

                图2.9 PDP的结构 

(二) 壁障

障壁由低熔点玻璃构成。其作用是保证前后基板间的放电间隙，防止相邻单元间的光电串扰。

(三) 氧化镁保护层

PDP前基板电极上覆盖了一层玻璃介质层，介质层上又覆盖了一层MgO保护层以保护显示电极和防止介质玻璃被侵蚀。保护膜首先要能抗击离子溅射，还能降低期间的着火电压，还必须具有高透光性，所以保护膜作为PDP工作是辉光放电过程中的保护层，要满足以下几方面的的要求：

(1) 着火电压足够低；

(2) 长时间的稳定性，能耐离子轰击；

(3) 绝缘性能好；

(4) 高的可见光透过性。

碱土金属氧化物MgO、CaO及其混合物，稀土金属氧化物如CeO、La2O3及其混合物都可以被用作保护层材料。尽管MgO不具有最低的着火电压，但是它能耐高温(Tm=3078 K)，抗溅射(升华热H=551.34 kJ/mol)，蒸发容易控制且价格较低廉，所以MgO是综合性能最好的也是应用最广的最成熟的保护材料。

(四) 荧光粉

在单色PDP中用气体放电产生的光直接进行显示，而彩色PDP则通过气体放电时产生的紫外线激发荧光粉发光实现红(R)、绿(G)、蓝(B)三基色显示 [8]。

对PDP使用的荧光粉要求满足以下条件：

(1) 在真空紫外领域具有较高的激励光谱；

(2) 在同一放电电流时，通过三基色荧光体的发光混色获得基低白色；

(3) 三基色的发光应具有各自鲜明的色彩度；

(4) 对于短波长紫外线和离子轰击不产生劣化；

(5) 涂浆和热处理工艺中具有稳定性；

(6) 放电单元工作状态的温度很小影响其发光效率；

(7) 余辉短。

彩色PDP涂覆荧光粉技术是采用的膜厚印刷技术形成障壁内侧的基色荧光体。在显示单元的壁面和底面用喷沙法形成荧光面。红色用(Y, Gd)BO3:Eu3+，绿色用Zn2SiO4:Mn，蓝色用钡镁铝酸盐，如BaMgAl14O23:Eu。

2.2.3 电致变色材料

一、电致变色现象

所谓电致变色(Eletro Chromism, EC),从显示和发光的角度看是指施加电压后物质发生氧化还原反应使颜色发生可逆性的变色现象。自从20世纪60年代国外学者 Plant 首先提出电致变色概念以来，电致变色现象就引起了人们的广泛关注。特别是最近10年来，电致变色成为发光显示领域的研究热点 [9]。

电致变色主要有3种形式：

(1) 离子通过电解液进入材料引起变色；

(2) 金属薄膜电沉积在观察电极上；

(3) 彩色不溶性有机物析出在观察电极上。

二、电致变色显示器件材料

电致变色显示器件(Eletro Chromism Display, ECD)是一种典型的光学薄膜与电子学薄膜相结合的光电子薄膜薄膜器件，能够在外加电压驱动下实现可逆的色彩变化，以实现显示。

许多液态或固态的有机物或无机物都有电致变色功能，其中三氧化钨研究较多，因为在三氧化钨中离子的迁移率高，电子注入会产生对可见光的强烈吸收。

目前在光电子薄膜器件领域，柔性塑料器件已经成为一种发展趋势，随着ITO(氧化铟锡)塑料制备技术的成熟，多种显示器件已经或正在实现塑料柔性化。因此，将电致变色材料制备在塑料衬底上，将极大促进电致变色器件的应用。

根据电致变色层材料的不同，ECD又可以分为以下两种类型：

(1) 全固态塑料电致变色器件

全固态塑料电致变色器件采用低压反应离子镀工艺，在ITO塑料衬底上制备WO3和NiO 电致变色薄膜，采用MPEO-LiClO4高分子聚合物作电解质，制备透射型全固态塑料电致变色器件。

(2) 混合氧化物电致变色器件

混合氧化物可以改善单一氧化物电致变色的性能，引起了人们的关注。TiO2具有适宜的离子输运的微观结构、高的力学性能和化学稳定性，它与WO3混合制作的电致变色器件，加快了响应时间及延长了器件的寿命 [10]。

3 新型光纤材料

3.1 光纤材料概述

3.1.1 光纤的产生和发展

20世纪60年代发现了激光，这是人们期待已久的信号载体。要实现光通讯，还必须有光元件、组件及信号加工技术和光信号的传输介质。1958年，英国科学家提出了利用光纤的设想，1966 年，在英国标准电讯研究所工作的英籍华人工程师高琨，论证了把光纤的光学损耗降低到20 dB/km以下的可能性(当时光纤的传输损耗约为1000 dB/km)，并指出其对未来光通信的作用后，作为光通信媒质用的光纤引起了世界工业发达国家的科学界、实业界人士以及部门的普遍重视。

许多大学、研究所、公司以及工厂开始探索这一工作，对多组分玻璃系和高二氧化硅玻璃系光纤进行开发研究。随着理论研究和制造技术的提高，降低光纤传输损耗的工作进展很快。1970年，美国康宁玻璃公司拉制出世界第一根低损耗光纤，这是一根高二氧化硅玻璃光纤，长数百米，损耗低于20 dB/km(降低为1966年光纤损耗的1/50)。十多年后，高二氧化硅玻璃光纤的损耗又降低了两个数量级，约为0.2 dB/km，几乎达到了材料的本征光学损耗 [11]。

然而，多组分玻璃光纤因其材料难以提纯，以及此类玻璃的均匀性差，而使光纤的最低损耗仍相当大，约为4 dB/km。近20年，各种各样的光纤层出不穷，除了通信用多模、单模光纤外，近年来又出现各种结构不同高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤，以及各种光纤传感器用的功能光纤、塑料光纤等。光纤的最初应用是制作医用内窥镜，但其大量地应用仍在通信方面。许多国家建造了光纤通信系统，横跨大西洋、太平洋的海底光缆已投人使用，使全世界进人信息时代。

3.1.2 光纤的结构及分类

一、光纤的结构

光纤是用高透明电介质材料制成的非常细(外径约为125~200 μm)的低损耗导光纤维，它不仅具有束缚和传输从红外到可见光区域内的光的功能，而且也具有传感功能。一般通信用光纤的横截面的结构如图3.1所示。

光纤本身由纤芯和包层构成，纤芯是由高透明固体材料(如高二氧化硅玻璃，多组分玻璃、塑料等)制成，纤芯的外面是包层，用折射率较低(相对于纤芯材料而言)的有损耗(每公里几百分贝)的石英玻璃、多组分玻璃或塑料制成。这样就构成了能导光的玻璃纤维—光纤，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。

上述光纤是很脆的，还不能付诸实际应用。要使它具有实用性，还必须使它具有一定的强度和柔性，采用三层芯线结构。在光纤的外面是一次被覆层，主要目的是防止玻璃光纤的玻璃表面受损伤，并保持光纤的强度。因此，在选用材料和制造技术上，必须防止光纤产生微弯或受损伤。通常采用连续挤压法把热可塑硅树脂被覆在光纤外而制成，此层的厚度约为100~150 μm。在一次被覆层之外是缓冲层，外径为400 μm，目的在于防止光纤因一次被覆层不均匀或受侧压力作用而产生微弯，带来额外损耗。因此，必须用缓冲效果良好的低杨氏系数材料作缓冲层，为了保护一次被覆层和缓冲层，在缓冲层之外加上二次被覆层。二次被覆层材料的杨氏系数应比一次被覆层的大，而且要求具有小的温度系数，常采用尼龙，这一层外径常为0.9 mm。

二、光纤的分类

按光纤芯折射率分布不同可分为：阶跃型光纤和梯度型光纤两大类。

阶跃型多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率均匀分布具有恒定值n1，而包层折射率则为稍小于n1的常数n2，n(r)可表示为

                                                    (3.1)

其中r为离纤芯纵轴的径向坐标，a为纤芯半径。

阶跃型多模光纤和单模光纤的区别仅在于，后考的芯径和折射率差都比前者小。设计时，适当地选取这两个参数，以使得光纤中只能传播最低模式的光，这就构成了单模光纤。

阶跃型光导纤维的芯子与包层间折射率是阶梯状的改变，入射光线在纤芯和包层的界面产生全反射，呈锯齿状曲折前进。

在梯度光纤中，纤芯折射率的分布是径向坐标的递减函数，而包层折射率分布则是均匀的，可用下式表示：               

             (3.2)

其中g为幂指数，一般取2。

梯度型光导纤维的纤芯折射率从中心轴线开始向径向逐渐减小(约以半径的二次方的反比例递减)，因此入射光线进入光纤后，偏离中心轴线的光将呈曲线路径向中心集束传输。由于光束在梯度型光纤中传播时，形成周期性的会聚和发散，呈波浪式曲线前进，故梯度型光纤又称聚焦型光纤。

按材料组分不同，光纤可分为：高二氧化硅(石英)玻璃光纤、多组分玻璃光纤和塑料光纤(有机材料)等。目前，通信用光纤都是高二氧化硅玻璃光纤。

按光纤传播光波的模数来分，则有多模光纤、单模光纤两大类。从传感的角度来分，可以分为传输光纤和功能光纤。

3.1新型光纤材料

3.1.1 掺稀土元素光纤材料

19年，C.J. koester等首次报道,以掺稀土元素玻璃制作光纤的具有放大作用,直到1985年英国南开普顿大学开发出制作掺稀土元素玻璃的光纤放大器的工艺。近年来,用掺稀土元素玻璃制作光纤放大器、光纤激光器的技术日趋完善且产品也已商用化。

在石英玻璃光纤的制造过程中,采用汽相或液相掺杂技术，将稀土元素,如 饵,镨等离子单独或混合掺入光纤芯中构成的稀土元素玻璃。正是由于向纤芯掺入了微量的稀土元素掺杂浓度为使光纤由无源传导介质跃变为放大器，激光器和超亮度光源的有源增益介质 [12]。

在掺稀土元素光纤材料中，掺铒光纤放大器(Er-Doped Fiber Amplifier, EDFA)是最为重要的内容，从20世纪80年代后期开始，掺铒光纤放大器的研究工作不断取得重大的突破。WDM技术极大地增加了光纤通信的容量。成为当前光纤通信中应用最广的光放大器件。

　掺铒光纤放大器(EDFA)即在信号通过的纤芯中掺入了铒离子Er3+ 的光信号放大器。

一、EDFA的结构

EDFA的基本结构，它主要由有源媒质(几十米左右长的掺饵石英光纤，芯径3-5μm，掺杂浓度(25×10-6)、泵浦光源(990或1480 nm LD)、光耦合器及光隔离器等组成。信号光与泵浦光在铒光纤内可以在同一方向(同向泵浦)、相反方向(反向泵浦)或两个方向(双向泵浦)传播。当信号光与泵光同时注入到铒光纤中时，铒离子在泵光作用下激发到高能级上，并很快衰变到亚稳态能级上，在入射信号光作用下回到基态时发射对应于信号光的光子，使信号得到放大。其放大的自发发射(ASE)谱，带宽很大(20-40 nm)，且有两个峰值，分别对应于1530 nm和1550 nm。

掺铒光纤放大器主要是由一段掺铒光纤（长约10-30 m）和泵浦光源组成。其工作过程如图3.1所示：

二、EDFA的工作原理

其工作原理是：掺铒光纤在泵浦光源（波长980 nm或1480 nm）的 作用下产生受激辐射，而且所辐射的光随着输入光信号的变化而变化，这就相当于对输入光信号进行了放大。

图3.1 EDFA工作过程

3.1.2 光子带隙型光子晶体光纤

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber, PCF)是基于光子晶体技术发展起来的新一代传输光纤。又名微结构光纤(Microstructured optical fiber, MOF)或多孔光纤 (Holeyfiber, HF)，它通过包层中沿轴向排列的微小空气孔对光进行约束，从而实现光的轴向传输。独特的波导结构，使得光子晶体光纤与常规光纤相比具有许多无可比拟的传输特性。光子晶体光纤的横截面如图3.2(a)所示。

根据纤芯引入缺陷态的不同，PCF导光机理可以分为两类：全内反射型和光子带隙型。带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)的包层是高度有序排列的空气孔，纤芯是缺失的空气孔形成缺陷，从而使光以缺陷态局域在纤芯中传输。带隙型光子晶体光纤(PBG-PCF)的横截面如图3.2(b)所示。相比于全内反射光子晶体光纤，由于光是在由周期排列硅材料围成的空心中传输，所以只有很少一部分光在硅材料中传输。材料的非线性效应明低，损耗也大为降低。因此,带隙型光子晶体光纤有可能成为下一代超低损耗传输光纤，它将广泛应用于光传输、脉冲整形、传感光学和非线性光学中 [13]。

图3.2 光子晶体光纤和PBG-PCF的横截面

一、带隙型光子晶体的理论基础

光子晶体是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。由于介电常数存在空间上的周期性，引起空间折射率的周期变化.在周期性介质中，电场满足麦克斯韦波动方程：

                                  (3.3)

式中，为常数，可以认为是介质的平均介电常，是扰动介电常数，c为真空中的光速。在周期性势场中，电子的波函数满足薛定谔方程：

                                  (3.4)

式中，为普朗克常数，为电子的能量，在周期性势场中只能取本征值。

可以看出，方程3.1与3.2的形式完全相似. Ee在周期性势场中只能取本征值，因此，在周期性介电晶体中，ω2ε0/c2也只能取某些特征值，光波的频率也因此只能取某些本征频率，从而出现了频率禁带，这种禁带叫做光子禁带或者光子带隙。频率落在禁带中的光或电磁波是被严格禁止传播的。因此，光子晶体就是折射率呈周期分布的光学介质。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波——当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能形成能带结构。能带与能带之间出现光子带隙。能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。

二、带隙型光子晶体光纤的导光机理

图3.3  带隙型光子晶体光纤的导光机理

在空芯 PCF中形成周期性的缺陷是空气,空气芯折射率比包层石英玻璃低 ,但仍能保证光不折射出去,这是因为包层中的小孔点阵构成光子晶体。当小孔间距和小孔直径满足一定条件时 ,其光子能隙范围内就能阻止相应光传播 ,光被在中心空芯之内传输 [14]。

如图3.3所示，对于普通的光纤，其折射光线相对于带隙型光子晶体光纤而言，是比较多的，即损耗相对较大。而对于带隙型光子晶体光纤，随着包层中的小孔的直径的降低，其总的溢出纤芯的折射光线亦减少。从而实现了降低传输损耗。

4 新型红外材料

4.1红外材料概述

4.1.1 红外线与红外材料

一、红外线

红外线同可见光一样都是电磁波，它的波长范围很宽，从0.7 μm到1000 μm。根据波长的不同，通常分为近红外0.70 μm-1.5 μm，中红外1.5 μm-10 μm，远红外10 μm-1 mm三个波段。红外线具有波粒二象性，遵守光的反射和折射定律，在一定条件下产生干涉和衍射现象。

每种处于零K以上的物体均发射特征电磁波辐射，主要位于电磁波谱的红外区域，这个特征对于军事观察和测定肉眼看不见的物体具有特殊意义[15]。

二、红外材料

红外材料是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透光率、折射率及色散的材料。红外材料主要包括碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐晶体及半导体晶体。可以用作红外材料的有下列物质。

单质晶体：单质锗、硅；

碱卤化合物晶体：如LiF、NaF、KCl、KBr等；

碱土-卤族化合物晶体：如CaF2、BaF2、SrF2、MgF2等；

氧化物晶体：Al2O3、SiO2、MgO、TiO2等氧化物；

无机盐化合物晶体：SrTiO3、Ba3Ta4O15、Bi4Ti3O2等。

4.1.2 红外材料的用途

红外光学材料主要应用于以下方面：

红外无损检测：自然界中的任何物体都是红外辐射源。辐射能量的主波长是温度的函数，并与表面状态有关。红外无损检测是利用红外辐射原理对材料表面进行检测。如果被测材料内部存在缺陷（裂纹、空洞、夹杂、脱粘等），将会导致材料的热传导性改变。进而反映在材料表面温度的差别，即材料的局部区域产生温度梯度，导致材料表面红外辐射能力发生差异，温度场随时间变化的信息中包含了样品缺陷的信息。利用显示器将其显示出来，便可推断材料内部的缺陷；

辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微重力下热流过程研究；

远红外线加热干燥：当远红外线辐射到一个物体上时，可发生吸收、反射和透过。但是，不是所有的分子都能吸收远红外线的，只有对那些显示出电的极性分子才能起作用。水，有机物质和高分子物质具有强烈的吸收远红外线的性能。当这些物质吸收远红外线辐射能量并使其分子，原子固有的振动和转动的频率与远红外线辐射的频率相一致时，极容易发生分子、原子的共振或转动，导致运动大大加剧，所转换成的热能使内部升高温度，从而使得物质迅速得到软化或干燥。

对能量辐射物的搜索和跟踪：如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等；

制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜等：用于红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜棱镜、滤光片等，可用于军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等[16]。

4.2 新型红外材料

4.2.1 热光电应用中的红外材料

一、InGaAs、 InGaAsSb TPV电池

随着近几年来人们对III-V族低带隙(0.5-0.7 eV)半导体研究的深入，以热光电效应进行发电是近几年来新兴的发电方式，得到了人们的广泛关注。热光电效应发电(Thermophotovoltaic (TPV) generation of electricity)相对于其他直接直接的能量转换方式(如热-电转换)，其最重要的优点是对废热的再吸收能力强。

这这些材料中有两种红外材料引起了研究人员的兴趣，他们具有优良的热光电性能。这两种材料就是InxGa1–xAsySb1–y和 InxGa1–xAs。在量子效率，开路电压方面，两种材料的性能是相当的。但后者比前者在光电方面的可持续性更强。这两种材料的出现使得能量的转换效率达到了20%以上。

发光体到电池的能量转换效率为：

                                     (4.1)

Voc为电池的开路电压，Eg为半导体的禁带宽度。

定义其平均光子加权量子效率为

                                           (4.2)

其中QEinternal(λ)为内量子效率，N1(λ)为TPV电池吸收的光通量，这是由黑体辐射引起的。

且光通量的计算公式为：

                   (4.3)

其中，c为光速，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，εrad(λ)为黑体的发射光谱，R(λ)为在TPV电池表面的反射率，α(λ)为吸收损耗。

FF 是填充因子，Fo为过度兴奋因子，是指对热辐射能量大于禁带宽度部分的利用率，其定义式为：

                                                       (4.4)

Fu为光谱利用率因子，是指对热辐射能量大于禁带宽度部分的吸收率，其定义式为：

                                            (4.5)                      

表4.1展示了在发光体温度为1100℃，电池温度为25℃时，禁带宽度为0.55 eV的InGaAs TPV电池的各项参数，以及可能达到的极限值。与光伏电池(禁带宽度1.0-1.4 eV)相比，TPV电池具有较低的禁带宽度(0.5-0.7 eV)具有较低的填充因子，这是由于较高的暗电流引起的。但是这部分的损失可以由过度兴奋因子和光谱利用率因子的提高得到补偿。这些因素使得能量转化率大于20%是完全可以实现的，但其极限是40%。

表4.1 TPV电池的参数及极限值

InGaAs和InGaAsSb TPV电池的结构，如图4.1所示。

对于InGaAs TPV电池，其下基板由500 μm的P型磷化铟构成，上基板由3-5 μm的禁带宽度为0.55 eV的InGaAs材料构成。在上基板和下基板之间是12曾渐变层，由0.73-0.55 eV的InGaAs材料构成。

对于InGaAsSb TPV电池，与InGaAs TPV电池有区别的地方在于，它没有上基板，而是具有发射极[17]。

图4.1 InGaAs和InGaAsSb TPV电池的结构

4.2.2 红外光学中的常用材料

虽然有大量的材料适用于可见光，但是只有几种材料适用于中红外波(3.0-5.0 μm)和远外波段(7.5-14.0 μm)。

图4.2 展示了几种常用红外材料对不同波长的的投射率。表4.1展示了几种红外光学材料的基本特征参数。

一、单晶锗

单晶锗是最常用的红外材料之一，可适用于中红外波段和长红外波段。单晶锗有较高的折射率系数，以及对温度的变化系数小。使得单晶锗具有较强的稳定性。但是单晶锗的价格比较高，这是单晶锗更广泛应用的一个重要因素。

二、单晶硅

单晶硅也是比较常见的红外材料，它主要工作在3.0-5.0 μm之间，即中红外波段，而在远红外波段则会得到较为强烈的吸收。它的反射系数也很高，但它的缺点是对温度的变化较为敏感，容易受外界环境的影响。

三、硫化锌(ZnS)

硫化锌可以工作在中红外波段和远红外波段，它通常由化学气相沉积(CVD)方法制得。多光谱CVD硫化锌硫化锌 (Cleartran) 是可商业化应用的最纯净的硫化锌，它可以透过从可见光到远红外光，在红外窗口和透镜中得到广泛应用。

四、硒化锌(ZnSe)

硒化锌可以传输红外光和可见光。它与硫化锌在很多方面相似，但它比硫化锌的折射率高而且结构要轻。它的最大优点好是吸收系数比硫化锌小的多。但是它的价格比较昂贵。

五、氟化镁(MgF2)

氟化镁也是一种晶体材料，它可以传输从紫外线到远红外波段的光线。氟化镁可由晶体生长得到。它的价格相对较低，但是它的热学性能不好。

图4.2 红外材料对不同波长的透射率

表4.1 红外材料的基本参数

5.1 光色材料概述

光色材料在科技中起着重要作用，它在光波导，光调制器，光存储媒介中发挥着重要作用。

5.1.1 光色材料的变色过程

材料受光照射着色，停止光照射后又可逆地褪色，这一特性称为材料的光致变色现象，简称光色现象。具有光色现象的材料称为光色材料。

不同类型的光致变色材料具有不同的变色机理，尤其是无机光致变色材料的变色机理与有机材料有明显的区别。

无机变色材料和有机变色材料的变色原理有很大不同,有机变色材料一般是靠有机化合物的键的断裂 (包括匀裂和异裂 、键的重组以及构像的变化)而产生颜色变化。如图5.1所示，当前一种材料受到光照时，其化学结构会发生变化，因而产生变色反应 [18]。

图5.1 光致变色过程

无机变色材料则是靠添加在化合物中金属 (主要是过渡周期重金属) 离子化合价的变价以及化合物分解和再化合来实现颜色变化的。无机体系的光致变色效应伴随着可逆的氧化-还原反应。

5.1.2 光色材料的分类

光色材料分为有机变色材料和无机变色材料。

能应用于光致变色的有机变色材料主要有：

(l) 螺吡喃类：螺吡喃是有机光致变色材料中研究和应用最早、最广泛的体系之一，在紫外光照射下，螺毗喃结构中的C-O键断裂开环，分子局部发生旋转且与叫噪形成一个共平面的部花青结构而显色，吸收光谱相应红移。在可见光或热的作用下，开环体又能回复到螺环结构。C-O键的断裂时间处于皮秒级，变色速度极快。

(2) 俘精酸醉类：俘精酸醉是芳取代的二亚甲基丁二酸配类化合物的统称，是最早被合成的有机光致变色化合物之一。1999年，Kiji等报道了通过1,4-双杂环取代的丁炔-1,4-二醇的碳基化的方法来合成双杂环俘精酸醉化合物。反应以Pd(钯)为催化剂，在高温高压下进行。该方法开辟了一条合成双杂环俘精酸配的新路径。

(4) 偶氮苯类：偶氮苯类化合物光致变色性能良好，并其有超高存储密度和非破坏性信息读出等特点。偶氮苯类化合物的变色机理是由于含有-N-N-、形成顺反异构结构所引起的。光或热的作用可使顺式和反式偶氮苯之间发生转化，反式结构一般比顺式结构稳定。热作下的顺反异构反应通常是从顺式到反式，但在光作下两种异构方向都能进行。

能应用于光致变色的无机变色材料主要有：

(1) 过渡金属氧化物：这类物质主要有WO3、MoO3、TiO2等。氧化钨作为一种重要的无机光致变色材料，具有稳定性好、成本低等优点，但其光致变色效率较低。

(2) 金属卤化物:金属卤化物具有一定的光致变色性.如碘化钙和碘化汞混合晶体、氯化铜、氯化锅、氯化银等。当照射掺有La、Ce、Gd或Tb的氟化钙时，会发生稀土杂质的光谱特征吸收，其变色机理是金属离子变价。如掺Ce的氟化钙晶体会产生晶格缺陷，使无色的Ce3+变为粉红色的缺陷。

5.2 新型光色材料

5.2.1 多酸及多酸盐材料

到目前为止，光色材料中的大部分都属于半导体材料，如WO3, MoO3, V2O5。但是这些材料有一些缺点：响应速度慢，制造成本高，以及体积大。而多酸材料及多酸盐材料是目前为止能够解决这些问题的较好的光色材料。

一、多酸材料

多酸(Polyoxometalates)是指两个或两个以上的含氧酸分子缩合去水（见缩合反应）而成的酸。这里的多酸材料主要指磷钨酸(H3PW12O40)、磷钼酸(H3PMo12O40)和硅钨酸(H4SiW12O40)。

当用紫外线照射多酸材料时，其颜色会发生变化，且升色速度和褪色速度均随着钨磷酸含量的增加而加快。

多酸材料在光致变色方面表现出了优异的光学性能：在许多乳剂中具有很高的溶解度；可以做成很小的体积(直径可以接近1 nm)；良好的氧化还原特性以及较高的电荷密度，这对于光致变色材料来说是比较理想的。但这类材料也有一个较大的缺点，那就是很难把多酸材料制成实用器件。

为了实现多酸材料的应用，科学家们提出了解决方法。这种方法就是：在以聚碳酸酯(Polycarbonate) 的基底上，把多酸注入进由有机物和无机物构成的混合带中。

二、多酸盐材料

在氧化型多酸盐材料中，金属离子具有d0电子结构, 电子光谱的紫外区出现的唯一吸收带是氧→金属(O→M )。 金属氧化物的光致变色通常是由杂质或晶体缺陷造成的。 多酸阴离子的光致变色是由于在光照下, 电子从氧的低能态的2p轨道跃迁到金属高能态的d轨道, 即配体中的氧→金属(O→M )电荷转移(LMCT )的结果 [19]。

5.2.2 螺吡喃类化合物

螺毗喃类化合物是一种常用的有机光致变色化合物，人们对其开展的研究较早，它具有优良的变色性质，热稳定性，抗疲劳性。其中2,2-二苯基萘并吡喃在90年代初实现了商品化，成为变色树脂镜片中必不可少的组分，但是它的成色体变色周期较长、最大吸收波长较短、实用效果还不够好。为了克服上述缺点，科学家们一直在努力改进螺吡毗喃类化合物的性质。并在螺毗喃类化合物基础上合成了新的有机化合物，图5.2就展示了几种新合成的螺毗喃类化合物。

图5.2 几种新的螺毗喃类化合物

大多数螺吡喃及其类似化合物都表现出正向光致变色特性。螺吡喃类化合物的“正”向光致变色是指在紫外光照下分子中的 C-O 键异裂，由闭环无色体(SP)可逆的变为开环有色体(MC)。如图5.3所示。

(SP)                       (MC)

图5.3 正向光致变色过程

南开大学孟继本研究小组多年来从事螺吡喃类化合物的研究，在国内处于领先

地位。采用 DCC缩合的方法将螺吡喃的衍生物和聚乙二醇相缩合，以聚乙二醇末端的羟基和螺吡喃衍生物的羧基为反应活性基团实现了带有羧基的螺吡喃类光致变色化合物支载到了聚乙二醇两端。通过引入亲水基团得到了水溶性较好的螺环类光致变色化合物。通过对产物的紫外-可见光谱的研究发现产物具有良好的光致变色性质。在乙醇,丙酮和乙酸乙酯中皆具有良好的光致生色现象，产物可溶于水，在紫外光(波长365 nm)照射时产生了光消色现象，具有明显的逆光致变色性质[20]。

结    论

一、光学材料的发展方向

不可否认的是，到目前为止，光学材料到已经取得了长足的进展。但在许多方面，光学材料仍有需要加以改进的地方，需要科研工作者继续研究探索。

鉴于光学材料的现状，未来光学材料的发展方向是：

(1) 高分子显示材料：有机／高分子电致发光材料、高分子液晶材料等，其发展方向为开发出具有高的电致发光效率、低驱动电压，具有不同发光波长（彩色）和长寿命的各种发光器件。开发新型的显示材料，对于发展我国的显示器产业，追赶世界先进水品，具有重要意义。

(2) 高分子传输材料：研究和开发应用于通讯传输的具有较高光学透过性，光学均匀，且高折射率、低光损耗的高分子塑料光纤。现在的的光纤中的损耗，散射和色散是制约传输效率提高的障碍，如果此问题到解决，光纤的传输容量将会又要提高一个数量级；

(3) 超高密度高分子存储材料：开发存储密度高的高分子材料。目前光学材料存在的一个普遍问题是材料中的电荷密度不够大，了存储材料的存储容量。

二、展望

日新月异的现代科技的发展需要新材料的支持，新型光学材料作为材料科学中的重要领域，在科学研究和科技发展中起着举足轻重的地位。有科学家曾说：“20世纪是电子的世纪，21世纪将是光子的世纪。”作为与光子紧密相关的光学材料，在21世纪以及可以预见的未来，必将得到蓬勃发展。

参 考 文 献

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致    谢

四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四年的求学生涯在师长、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 多少科学巨擘为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给我的导师—刘晓静老师。刘老师严谨的治学态度，渊博的学识素养，精益求精的工作作风，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。 

感谢与我一起做论文的****和****同学，因为与你们的一起讨论，我改正了许多错误，对论文的格式以及编排有了更深的理解。感谢***同学，在我最需要电脑和网络的时候，你们给予了无私的帮助。 

同时也感谢学院为我提供良好的做毕业论文的环境。 

最后再一次感谢所有在毕业论文中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在论文中被我引用或参考的论著的作者。