¿Qué son los materiales optoelectrónicos?
Los materiales optoelectrónicos se refieren a materiales utilizados para fabricar diversos equipos optoelectrónicos (incluidos principalmente varios sensores fotoeléctricos activos y pasivos, dispositivos ópticos de almacenamiento y procesamiento de información, comunicaciones ópticas, etc.). Los materiales optoelectrónicos incluyen principalmente materiales infrarrojos, materiales láser, materiales de fibra óptica, materiales ópticos no lineales, etc.
1. Materiales infrarrojos Hay dos tipos principales de materiales infrarrojos militares: materiales de detección de infrarrojos y materiales de transmisión de infrarrojos.
a. Materiales de detección por infrarrojos: Los materiales de detección por infrarrojos incluyen sulfuro de plomo, antimonuro de indio, dopaje de germanio (oro, mercurio), telururo de plomo y estaño, telururo de mercurio y cadmio, sulfato de triglicéridos, tantalato de litio, una serie de materiales como Como el germanato de plomo y el óxido de magnesio, el antimonuro de indio y el telururo de mercurio y cadmio son los principales materiales de detección de infrarrojos que se utilizan actualmente en los sistemas fotoeléctricos infrarrojos militares, especialmente el material de telururo de mercurio y cadmio (hg-cd-te), que actualmente está más maduro y los países se centran en el Investigación y desarrollo de los principales materiales infrarrojos. Se puede utilizar en una amplia gama de longitudes de onda, desde el infrarrojo cercano, el infrarrojo medio hasta el infrarrojo lejano, y tiene la ventaja de funcionar en varios modos de trabajo, como fotoconductividad, fotovoltaica y opto-magnetoelectricidad. Sin embargo, el material también. tiene poca estabilidad química y deficiencias como la dificultad para fabricar monocristales de gran tamaño y la escasa uniformidad en áreas grandes han limitado el desarrollo de dispositivos de matriz de área de gran tamaño. El hg-cd-te ahora ha entrado en la etapa de desarrollo y aplicación de película delgada. Para superar las deficiencias mencionadas anteriormente de este material, se han explorado internacionalmente nuevos enfoques tecnológicos:
(1) Utilizar diversas tecnologías de epitaxia de película delgada para preparar obleas de gran tamaño, incluida la epitaxia de haz molecular. (mbe), epitaxia en fase líquida (lpe) y producto de deposición de vapor de compuestos orgánicos metálicos (mocvd), etc. En particular, mocvd se puede utilizar para producir películas de hg-cd-te con áreas grandes, composición uniforme y buenas condiciones de superficie, que se pueden utilizar para preparar detectores infrarrojos de matriz de plano focal de área grande. En el extranjero, el método mocvd se ha utilizado para producir películas delgadas de monocristal de telururo de mercurio y cadmio con un área mayor de 5 cm2, buena uniformidad, δx = 0,2 ± 0,005 y buena repetibilidad del proceso. Se han utilizado dispositivos de plano focal de 64 × 64 en sistemas modelo. , y 512×512 han sido muestra.
(2) Buscando nuevos materiales infrarrojos de alto rendimiento para reemplazar hg-cd-te, que incluyen principalmente: ①hg-mn-te y hg-zn-te, que han sido realizados por los Estados Unidos. , Ucrania y otros países desde mediados de la década de 1980. Las investigaciones en esta área han demostrado que las propiedades ópticas de hg1-xznxte y hg1-(x y)cdxznyte son muy similares a las del telururo de mercurio y cadmio, pero es más fácil obtenerlas de gran tamaño y bajo -Defectan los monocristales y su estabilidad química es mayor. hg1-xmnxte es un material semiconductor magnético cuyas propiedades fotovoltaicas en un campo magnético son casi las mismas que las del telururo de mercurio y cadmio, pero supera los problemas causados por los enlaces débiles del hg-te. Las investigaciones muestran que en hg1-xmnxte, cuando xlt; 0,35, se pueden obtener monocristales con composición uniforme y gran tamaño para aplicaciones en la región del infrarrojo lejano, el valor x debe seleccionarse alrededor de 0,11. ② Los materiales superconductores de alta temperatura se encuentran actualmente en la etapa de investigación y desarrollo y han desarrollado productos con éxito. Los materiales compuestos de pozo cuántico de superred ③ⅲ-v se pueden utilizar en detectores de infrarrojo lejano de 8-14 μm, como inas/gasb (superred de capa tensa), gaas/algaas (estructura de pozo cuántico), etc. ④Material Sige, debido a que el material Sige tiene muchas propiedades físicas únicas y un valor de aplicación importante, y es compatible con la tecnología plana de Si, ha atraído gran atención de las industrias de microelectrónica y optoelectrónica. Los materiales Sige pueden ajustar libremente las propiedades fotoeléctricas de los materiales controlando el espesor, la composición, la tensión, etc. de la capa, abriendo una nueva era de diseño artificial e ingeniería de bandas de energía de materiales de silicio y formando un auge de investigación internacional. La heteroestructura si/gesi tiene las siguientes ventajas cuando se aplica a detectores de infrarrojos: la longitud de onda de corte se puede ajustar dentro de un amplio rango de 3 a 30 μm, lo que puede garantizar que la longitud de onda de corte sea propicia para optimizar la respuesta y la Requisitos de refrigeración del detector. La desventaja de los materiales si/gesi es que la eficiencia cuántica es muy baja. Actualmente se utilizan múltiples capas de sige para resolver este problema.
[6] En 1996, el Plan del Área de Tecnología de Defensa del Departamento de Defensa de EE. UU. identificó el enfoque del desarrollo de conjuntos avanzados de plano focal infrarrojo como: desarrollar conjuntos de plano focal infrarrojo para su uso en diversas situaciones (incluyendo vigilancia y condiciones climáticas adversas o nocturnas). Materiales detectores de infrarrojos, incluidas películas y estructuras basadas en los tres materiales siguientes: películas monolíticas ggcdte con capacidades de procesamiento en chip, superred inas/gasb y sige (dispositivos de barrera Schottky). Estos tres materiales son también los puntos calientes actuales en el desarrollo y la investigación de materiales de detección de infrarrojos.
b.Materiales transparentes infrarrojos:
Los materiales transparentes infrarrojos se utilizan principalmente como detectores de infrarrojos y ventanas, capós o carenados en aviones. Su último avance y desarrollo La dirección es la siguiente: [. 1] Actualmente, los materiales de transmisión de infrarrojos utilizados en la banda de infrarrojo medio incluyen vidrio de sal de germanio, germanio policristalino artificial, fluoruro de magnesio (mgf2), zafiro artificial y nitrato de aluminio, especialmente fluoruro de magnesio policristalino, que se considera un material con mejor. rendimiento general. Los materiales de infrarrojo lejano son uno de los focos de la investigación y el desarrollo actuales de materiales de transmisión de infrarrojos. Los materiales de transmisión de infrarrojos de onda larga de 8-14 μm incluyen: sulfuro de zinc (zns), seleniuro de zinc (znse), sulfuro de lantano cálcico (cala2s4). , arseniuro de galio (gaas), fosfuro de galio (gap) y germanio (ge), etc. Se considera que el ZNS es un mejor material transmisor de infrarrojo lejano en el rango de 3 a 12 μm y cuando el espesor es de 2 mm, la transmitancia promedio es superior a 70 y no hay pico de absorción. Con medidas especiales, el infrarrojo máximo. la transmitancia alcanza 95,8. ZNS se ha utilizado como material de capó y ventana de infrarrojo lejano en el extranjero, como la ventana de cápsula de infrarrojos Lantrirn estadounidense, la ventana de avión Learjel, etc. El Departamento de Materiales Avanzados de Norton International Corporation en Estados Unidos produce miles de campanas ZNS cada año. Hay dos métodos principales para preparar policristales ZNS: prensado en caliente y deposición química de vapor (CVD). Los materiales preparados mediante el método CVD tienen mejores propiedades. Otra dirección importante en el desarrollo de materiales de transmisión de infrarrojos es la investigación sobre materiales de transmisión de infrarrojos resistentes a altas temperaturas. Durante el vuelo de aviones de alta velocidad, las ventanas de infrarrojos y los materiales de cubierta serán lavados y erosionados por las altas temperaturas, la alta presión, el fuerte viento, la arena y la lluvia, lo que afectará el rendimiento de los materiales de transmisión de infrarrojos. Óptica integral, resistente a altas temperaturas y nuevos materiales con propiedades físicas, mecánicas y químicas. El material ideal utilizado en estas condiciones debe tener las siguientes características desde temperatura ambiente hasta 1000°C: alta transmisión en la banda de uso, baja radiación térmica, dispersión y birrefringencia, alta resistencia, alta conductividad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica y resistencia a resistencia al viento, arena y lluvia, resistencia al impacto y a la corrosión, resistencia a la radiación ultrasónica, etc. Los materiales de transmisión infrarroja resistentes a altas temperaturas que se han estudiado más recientemente incluyen espinela de magnesia-aluminio, zafiro, óxido de itrio, óxido de itrio mejorado con lantano y oxinitruro de aluminio solo. La espinela de magnesia-aluminio es uno de los materiales ópticos infrarrojos más excelentes que más se ha estudiado en los últimos años. Aún puede mantener sus propiedades bajo altas temperaturas, alta humedad, alta presión, lluvia, viento y arena y exposición al sol. es la opción preferida para materiales resistentes a infrarrojos transparentes, que pueden transmitir luz ultravioleta, luz visible y luz infrarroja de 200 nm a 6 μm. El zafiro monocristalino también es un material infrarrojo resistente a altas temperaturas que puede transmitir luz infrarroja desde el ultravioleta lejano de 0,17 μm a 6,5 μm. Utilizando el proceso de crecimiento de cristales de intercambio de calor recientemente desarrollado, se pueden fabricar zafiros de gran tamaño con un diámetro de hasta 25 cm. producido. El óxido de itrio y el lantano mejoran la longitud de onda de transmisión del óxido de itrio a 8 μm. Cuando se incorpora óxido de lantano al óxido de itrio, la resistencia del material aumenta en un 30% y las propiedades ópticas permanecen sin cambios. Debido a su alta dureza a altas temperaturas, tiene buena resistencia al impacto y a la corrosión. Estrictamente hablando, actualmente no existe ningún material ideal que pueda cumplir plenamente los requisitos anteriores. Sin embargo, muchos materiales, incluidos los materiales mencionados anteriormente, tienen propiedades integrales relativamente ideales. La tercera dirección de desarrollo de los materiales transparentes infrarrojos es: materiales de modo dual de onda milimétrica/infrarroja, que es para satisfacer las necesidades de la tecnología de guía de material compuesto de modo dual de onda milimétrica/infrarroja. En la actualidad, no existe ningún material que pueda cumplir con los requisitos de los materiales de modo dual de onda milimétrica/infrarroja que tengan una alta transmitancia de infrarrojo lejano y una constante dieléctrica y una tangente de pérdida pequeñas. Materiales de modo dual de onda milimétrica/infrarroja de alto rendimiento A la espera de más. investigación y desarrollo.
Aplicaciones de materiales infrarrojos: incluida la guía de varios misiles, alerta temprana por infrarrojos (incluida la detección, identificación y seguimiento, satélites de alerta temprana, aviones de alerta temprana, varios aviones de reconocimiento, etc.), observación y focalización (armas de interceptación de rayos de alta energía, etc.) .)
2. Materiales láser [2, 4, 7]
En la actualidad, los láseres de estado sólido buscan tener longitudes de onda sintonizables en los rangos espectrales visibles y casi visibles. Para este propósito, se han descubierto más de 30 tipos de cristales láser sintonizables. Entre ellos, los nuevos cristales dopados con iones cr3 tienen una sección transversal de emisión estimulada alta y una densidad de energía de saturación baja. Su rango de longitud de onda es: cr3: licaalf3 es 0,72~. 0,84 μm, cr3: lisralf6 es 0,78 ~ 1,01 μm, especialmente cr: lisaf, su densidad de energía de saturación es 5j/cm2 y tiene un buen rendimiento en el rango de sintonización del láser, vida útil de la fluorescencia, eficiencia del láser, efecto de lente térmica, etc. ser [impacto]. La guerra futura será una combinación de varias altas tecnologías En la guerra de la información, los materiales optoelectrónicos son tecnologías de apoyo importantes. El propósito de la investigación sobre materiales optoelectrónicos militares es aplicar los resultados de la investigación a una nueva generación de sistemas de equipos optoelectrónicos de alta tecnología para mejorar las capacidades de la guerra electrónica integrada en ataque y defensa electrónicos. Los materiales optoelectrónicos militares son una base importante para la tecnología optoelectrónica militar y desempeñan un importante papel habilitador y multiplicador en los sistemas de equipos optoelectrónicos militares. La tecnología de visión nocturna de imágenes fotoeléctricas basada en materiales infrarrojos puede mejorar las capacidades de combate nocturno de tanques, vehículos blindados, aviones, buques de guerra e infantería, y proporcionar un medio importante para la aviación, el reconocimiento satelital y la tecnología de guía de imágenes puede mejorar en gran medida la tasa de acierto. y capacidad antiinterferencia de misiles. Los sistemas de alcance láser, las armas cegadoras con láser y los sistemas de control de fuego basados en nuevos materiales láser sólidos han mejorado enormemente las capacidades de combate. Los cristales láser sintonizables proporcionan materiales de trabajo para sistemas láser sintonizables desde luz visible hasta bandas infrarrojas, que pueden mejorar las capacidades de vigilancia y reconocimiento de campo de los sistemas láser militares como lidar, detección aérea y detección submarina. Utilizando las ventajas de los materiales de fibra óptica, la banda ancha, la resistencia a las interferencias electromagnéticas y de los fuertes pulsos electromagnéticos nucleares, la confidencialidad, el tamaño pequeño, la gran adaptabilidad ambiental y la resistencia a la radiación, la comunicación entre el conjunto de detección de larga distancia no tripulado del sistema de armas terrestres y el tripulado la estación de control se puede realizar con transmisión de información a nivel de gb/s; el comando del barco puede enviar señales a flotas de larga distancia a través de fibra óptica para el comando; los aviones podrán lanzar aviones reforzados no tripulados atados a fibra óptica o apuntar a drones por cable; de armas se sustituirá por fibra óptica; el sistema de navegación inercial de los portaaviones militares será sustituido por giroscopios de fibra óptica; el sistema C3i para lanzamiento de armas estratégicas también permitirá redes de fibra óptica C3i, etc. En resumen, la aplicación de sistemas militares de fibra óptica irá mucho más allá de las comunicaciones de voz y datos de baja velocidad, e introducirá plataformas de sensores, armas marítimas o aéreas y diversos sistemas de transmisión de alta velocidad.