《材料与人类文明》核心选修课结课论文

光学材料以及有关光学材料的几点设想

班级：核工12

学号：2110302051

作者：王彬文

日期：2013-07-24

光学材料以及有关光学材料的设想

摘要：材料是人类文明发展的基础，在任何时期都扮演着重要的角色。当代社会，光学新兴，光学材料的研究和发展成为社会的热点话题。从历史的发展趋势来看，这两门学科的结合必定会为人类社会的发展带来一个精彩纷呈的时代。我相信，我深信不疑。

关键词：

光纤通信光电机制隐身材料细致入微个人设想

光，异常强大而又无比脆弱。其强大在于人类生活在光的狭缝内；其脆弱之处是一个不透明的物体就能把它挡住。当然，这只是狭义层面上的光，更宽泛意义上的光，即就是电磁波。一、光是信息的理想载体或传播媒质

在人类社会高速发展的今天，信息量越来越大，如何保证无损、保密、快速的传输大容量的信息成为现代社会密切关注和研究的问题。光纤通信的出现，解决了这一问题。所谓光纤通信，就是利用光纤来传输携带信息的光波以达到通信之目的,是现代通信的最新技术。

其实，早在上个世纪六七十年代，就已经有了光纤通信的雏形，只是苦于没有合适的光源和介质。材料科学的高度发展，使这一设想成为现实。众所周知，材料是人类文明不可缺少的一大基础物质。其发展和科研上的突破，都有可能引发新的工业革命。

光纤是光导纤维的简写，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。一般由纤芯、包层和涂敷层构成的多层介质结构的对称圆柱体。

很直白的说，光纤通信，即就是光在玻璃中折线前进，从一头到另一头。但，要保证其低损耗，而且容量还要大，由此条件来筛选材料就显得有些困难。二氧化硅在这又显示出其非凡的魅力。

目前通信用的光纤，主要是石英系光纤，其主要成分是高纯度的SiO2。如果在石英中掺入某些杂质，使其折射率高于SiO2,即形成光纤的纤芯。同样如果在石英中掺入折射率低于石英的掺杂剂，即成为包层。纤芯中广泛应用的掺杂剂为二氧化锗（GeO2）、五氧化二磷(P2O5)等，而包层中主要的掺杂剂为三氧化二硼（B2O3）、氟（F）等。

光纤通信的原理很清晰，就是通过光的全反射。关键在于材料的寻找和加工工艺。

下面分别来介绍一下光纤各结构的材料组成。

光纤的典型结构是一种细长多层同轴圆柱形实体复合纤维。

自内向外为：纤芯（芯层）-→包层-→涂覆层（被覆层）。核心部分为

纤芯和包层，二者共同构成介质光波导，形成对光信号的传导和约束，实现光的传输，所以又将二者构成的光纤称为裸光纤。

1、涂覆层又称被覆层，主要对裸光纤提供机械保护，可分为一次涂层和二次涂层。

2、纤芯（芯层）：

光纤的纤芯主要由具有高折射率（记为n1）的导光材料制成，如：SiO2光纤芯层材料多为SiO2--GeO2。它的作用是传导光，使光信号在芯层内部沿轴向向前传输；

3、包层：

光纤的包层由低折射率（记为n2）导光材料制成（折射率较纤芯低），如：SiO2光纤包层材料多为SiO2—B2O3或SiO2—P2O5。它的作用是约束光。由于纤芯和包层的折射率，满足n1>n2光传导条件，光波在芯包界面上可发生全反射，使大部分的光能量被阻止在芯层中，从而导致光信号沿芯层轴向向前传输。

4、涂覆层（被覆层）：

光纤涂覆层是为保护裸光纤、提高光纤机械强度和抗微弯强度并降低衰减而涂覆的高分子材料层。一般情况下涂覆层有二层，内层为低模量高分子材料，称为一次涂层；外层为高模量高分子材料，称为二次涂层：

一次涂层：又分预涂层和缓冲层两层，常用材料有硅酮树脂、紫外固化炳烯酸酯UV等；

二次涂层：其结构有三种，它们是紧套结构、松套结构、带状结构。

常用材料有尼龙PA12、聚乙烯PE、硅橡胶、聚酰胺塑料、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT，聚丙烯，聚脂等。高分子材料的贡献由此可见。

光纤通信的优点有①传输频带极宽，通信容量很大；②由于光纤衰减小，无中继设备，故传输距离远；③串扰小，信号传输质量高；

④光纤抗电磁干扰，保密性好；⑤光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设；⑥耐化学腐蚀；⑦光纤是石英玻璃拉制成形,原材料来源丰富，并节约了大量有色金属。

除以上特点之外,还有光纤径细、重量轻、柔软、易于铺设;光纤的原材料资源丰富,成本低;温度稳定性好、寿命长。由于光纤通信具有以上的独特优点,其不仅可以应用在通信的主干线路中,还可以应用在电力通信控制系统中,进行工业监测、控制,而且在军事领域的用途也越来越为广泛。

由此可见，材料所引发的通信技术的革命已经惠及到更多更重要的行业，材料的作用可见一斑。

二、新能源——太阳能发电以及光电材料

太阳能电池板的工作原理有两种，一种是传统的原理，通过太阳能加热水，形成高温高压蒸汽，就如同火电或者核电发电的原理。另一种则是利用光电效应。在我看来，传统的发电方式有些穷途末路的味道，而且反应方式及流程都很复杂，同时，效率不高，再多的发展也只能在提高蒸汽效率上努力。材料科学为此已经做出了其应有的贡献。光电效应，具有一定频率的光或电磁波，照射金属材料，该金属材料可以向外发射电子，材料外界通过收集电子而形成电流。这似乎

是一件很容易的事，但据光电效应的原理，我们可以知道，只有当光或电磁波的能量大于原子核外电子的束缚能时才有可能产生、并激发出电子。基本原理就是如此，现在的关键又变成了材料问题。何种材料，可以在大面积，或者在可见光下的照射下产生并激发出电子，电子又可以通过什么材料才能收集起来形成我们需要的电压或电流。

近几年来，光电材料这一新兴功能材料有了更多更长远的发展。在光电材料中现在开始应用而且突破传统的一种新的材料即就是有机高分子功能材料。其应用领域相当宽泛，光电显示领域：液晶材料，光致发光材料，闪烁体材料；光通信领域：有机非线性光学材料，有机光导纤维材料；信息存储领域：光致变色材料；微电子领域：光刻胶；还有更多其他领域的应用。

三、隐身材料的现状以及有关发展思考

隐身主要用于军事，其包括声隐身、雷达隐身、红外隐身、可见光隐身以及激光隐身。声波的隐身，主要研究材料消声，隔声，吸声的性质及功能。雷达波、可见光和红外，这些都是电磁波的范畴。激光也是光的一种，激光光束中，所有光子都是相互关联的，即它们的频率（或波长）一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。激光就好像是一支纪律严明的光子部队，行动一致。这四种隐身都是电磁波隐身。电磁波隐身主要是研究材料对电磁波的吸收或者将反射率降为最低。

这其中最难实现的就是对可见光的隐身。因为别的电磁波被吸收了，人类无法在第一时间感知到其被吸收。同样是电磁波，那么如果

是可见光直接被吸收或透过呢？因为其可见，所以人类可在第一时间感知到周围所发生的变化。如果被吸收，那么则是一片黑，如果直接被透过，则就成了一片空白。很明显的会被发现。由此说来，光与电磁波应该还有别的一些不为人知的差别，这依然是一个很有吸引力的课题。

现在的隐身材料有其两面性。对某种探测手段隐身的材料可能对另外一种探测手段的隐身效果就会变得不好，甚至成为目标。例如，对激光隐身的材料在应对红外时，很可能会直接暴露自己。

研究一种隐身材料，同时会面临两个最基本且是最亟需解决的问题。其一，怎样才能使入射波进入材料的内部而不是在材料的表面就直接被反射？其二，在入射波进入材料内部的前提下，怎样才能使入射波的能量最大限度进行转化和消耗？每一种隐身材料必须面对这两个问题。

就如同上文说到的可见光与其他电磁波的区别，对可见光的隐身，也确实是一个很诱人的课题。怎么让光波对某一实际物体产生“厌恶感”，从而达到绕着这一物体传播？光真的很“调皮”，有些性质依然令人捉摸不透，而材料则是一位稳重而严肃的“绅士”，相信，在材料科学日益发展的当代，一定会有真正的实现，让所有的电磁波绕着物体运动。

四、简要说明两种材料

联想翩翩。在我看来，对材料的研究，仍须从材料的微观结构着手。细致入微。量子力学、原子或分子物理和纳米尺度下物质的性质已经为材料的微观结构

的研究奠定基础。现在所要做的就是通过这三门学科所提供的物理或化学手段来进行操纵和研究。

真正可以在以后的发展中大有作为的材料现在我觉得有两种，一种是纳米材料。宏观与微观的中间所生存的一种具有独特性质的物质。在现代生活中已经有了广泛的应用，应该还具有更大更深远的潜力。例如纳米碳管，纳米碳球，纳米螺旋等等。还有一种则是有机高分子。有机物的合成成功也是工业革命的一大推动力。有机高分子，可以说种类多到让人眼花缭乱，其中不乏我们人类所需要的结构和材料。我也相信，有机高分子材料一定会在日后大放异彩。

五、谈几点关于光学材料的设想或看法：

光纤通信。其技术之关键仍在于光在介质中传播的损耗问题。世界上没有绝对光滑的物体，拿平面镜来说，其对光的反射显而易见。光束中光子的密度之大，速度之快，平面镜是不可能绝对阻止光的传播。在镜面处，必定还有一部分，一大部分光子“钻进”了镜面，然后在镜中展开其生命的最后之旅。材料科学的研究中，有一个优点很值得标榜，即细致入微。也就是说在研究中不放过任何一个原子和分子。细致到微小之处，就会有微妙的发现和改变。在此基础上，我们可不可以人为的决定光子的传播路径？通过材料的结构和微观原子与分子的性质来实现控制。或者，是否可以“逼”光子将能量传递给人类意愿中的原子，促使原子向实现确定好的方向射出电子，或者光子。例如，为了使光子的路径是一个曲线，我们先设计好该曲线，然后在转折的关键处，放置一个原子，光子“迫使”原子向另一个方向发出光子，当然这个方向就是我们预期的光子曲线行进时将要通过的下一个站

点。这对于对可见光隐身也有一定的意义。

刚才又提到了光子“逼迫”原子释放光子或电子。假如我们要它释放的是电子。这样一来就有了光电效应的结果。但光电效应之于光伏产业，依然还不能满足人类的需求。那么我们是否可以撇开光电效应和康普顿效应来直接研究光子和原子作用的新机制？再以此为基础研究有关光发电的新材料。

光电转换。光，无处不在，令人烦恼的是如何把这些无处不在的光子收集起来，然后用于应对日益严重的能源危机？首先，我们来分析分析光子与电子的本质与联系。光子的静止质量为零，但在实际中，人们得不到相对人们静止的光子。由于光速不变，故其运动时的质量不为零，由此，在任何参考性中，其质量其实都不为零。但人类现在无法测知这一确切数值。光子不带电，电中性。电子质量不为零，但也小得多，光子的自旋为整数，服从玻色-爱因斯坦统计律，电子的自旋为半整数，服从费米-狄拉克统计律。光子在某一特定的各向同性介质中，速度保持不变。而电子却不一样，不容易加速到光速，其速度的分布范围很广，光子的能量很大程度上依赖于其速度，而电子的能量大部分却是质量提供的。或许这就是爱因斯坦的质能方程所表述的能量的两种存在方式：

光子的能量也很高，但电子，即电的应用很成熟、很广泛。如何把光有效的转换为电，这是当今社会能源危机亟需解决的一个问题。光伏产业的发展现在却迟迟没有突破。这时，有一物质出人意料的来了。它就是反物质。由电子对效应可知，电子与正电子相遇会湮灭，然后发出光子。当然，这儿的光子是传统意义上的电磁波。但从电磁波产生机制出发，这也完全可能是可见光。由此我们可以设问，能否让电子对效应相反进行，即一束光子，在某一特定条件下会生成一对电子，而电子是有磁矩的，也就是说其可以受磁场和电场的控制的。当电子对产生时，人们的工作就是引导电子形成电流，让一块金属吸收正电子。这样一来，或许可以将可见光的范围增大到电磁波，所有的电磁波都会为人所用。也许用光子或电磁波来形成电子与正电子，就是宇宙产生时发生的反应，由此也可以猜想，光子就是人们寻找已久的“造物主”。

该反应的条件之一就是材料，或许可以直接在一块特定的晶体内进行反应，或者在纳米材料制成的具有特定功能的隧道或量子隧道里进行。光电效应，仅是在人们不加干涉的金属内部进行反应。而如果我们人为的对材料的性质加以改变，是否可以让上述设想成行？

当前地球上的太阳光，单位面积内的光强只适应于人类生活而这样的光强用来发电却有些吃力。如果光强增加，人类及大部分生物就会受不了。记得小时候我们经常用放大镜聚光玩。由此我想到，可不可以用凸透镜，拼接起来，让分散的光集中起来，再通过传统的方式

进行发电，这样的效率也许更高一些。

或许也可以通过激光的原理进行增加光强。激光激光光束中，所有光子都是相互关联的，即它们的频率（或波长）一致、相位一致、偏振方向一致、传播方向一致。当然，我们用来发电的光，不必需要这样把队形保持的如此之妙，如此之好。有一定队形就已经足够了。光的频率一般来说的固定的。光速c=波长*频率。光速c是固定的。那么是否可以考虑让光通过一定折射率的材料，然后通过频率与动量的关系进行对频率的控制和调节，让频率集中在一个较小的范围内，此时，光强必有增加，也就达到我们高效率光发电的目的。

但是，现在，随之而来的有个很重要的问题——材料。在考虑材料的选取的时候，不仅要考虑结构，还要考虑到光在材料中的损耗。不能让光在材料中损失的太多，否则，上述就成了无用功。所以，关键还是材料。纳米材料和高分子材料结构可以无穷变化，相应的性质也会改变。

以上定性的谈了我所感兴趣的光学材料的三个应用与现状，以及我自己对上述三个领域的一些不太切合实际的设想和看法，其中多部分源于对《材料与人类文明》这门课的思考以及我在自己专业课上学到的某些知识。光学是一门古老而新兴的学科，而材料则是人类文明发展史自始至终的基础，也是最重要的一门学科之一。人类文明的发展离不开材料，人类起源的因素之一是阳光。光学与材料这两门学科的结合会对人类文明发展做出卓越的贡献。光学和材料科学都是研究到细致入微的学科，我相信，在未来，有关光学材料的发现和突破一定会给人类带来社会与文明发展的新思路，新灵感。期待光学材料给我们带来一个精彩纷呈的世界！

参考资料：

1、邱勇《有机光电材料研究进展与发展趋势》Frontier Science 2010-3 第四卷

2、黄维垣等 .高技术有机高分子材料进展.化学工业出版社

3、杨福家《原子物理学》第四版高等教育出版社

4、胡华四等原子核物理讲义西安交通大学

5、王建华、陈国联等《电工电子技术》电子工业出版社

5、王德胜.现代科技精华.宁夏人民出版社.1993.1

6、宋健.化学材料的发展和展望.现代科学技术基础知识.科学出版社,中共中央党校出版社.1995,4

7、R W，哈森P，克雷默E I. 材料科学与技术丛书: “Materials Science and Technology: A Comprehensive Treatment”科学出版社1999