探索--具有微纳结构的固态立体彩色显示材料与器件

1、探索-具有微纳结构的固态立体彩色显示材料与器件课题类型： 1. 探索导向类 申请受理编号：2. 目标导向类 国家高技术研究发展计划（ 863 计划）专题课题申请书技术领域名称： 新材料领域 专题名称： 纳米材料与器件 申请指南技术方向 ： 纳米电子，光子材料与器件 课题名称： 具有微纳结构的固态立体彩色显示材料与器件 申 请 人 ：依托单位 ：中华人民共和国科学技术部二零零六年 九月 十 日三、课题情况3.1 课题简介 （简要说明课题的目的意义、主要研究内容、预期目标等。字数要求 1000 字以内）全固态三维立体彩色显示在文化娱乐、医疗诊断、飞行模拟、汽车和建筑设 计等方面有着非常广阔的应用前

2、景，是当今国际上重要科学研究前沿领域之一。 本课题旨在探索开拓一种基于二阶光学非线性效应实现空间选择性频率转换这种 全新原理的全固态立体彩色显示材料和系统。本课题的主要研究内容：1）选择能析出二阶光学非线性微晶的玻璃系统，制备化学稳定性和热稳定 性好的的玻璃，进行折射率、密度等测定和性能表征 .2）研究材料的晶核形成和晶体生长的动力学过程，探讨形成透明微晶玻璃 的热处理工艺。3）优化玻璃组成和工艺条件，获得大尺寸（ 2020 20mm 3）高透明微 晶玻璃。4）用 XRD 、透射电镜等分析晶粒的形貌和尺寸分布，研究晶化机理。5）研究纳秒、皮秒、飞秒激光聚焦照射下发光分布、光谱特性及超快响应。6

3、）建立计算机控制振镜扫描系统，进行全固态立体彩色动态显示演示。 本课题的预期目标： 开发出适合于全固态立体彩色显示的材料，申请相关具有自主知识产权的专 利，并且开发出能进行三维立体彩色显示的原型器件和系统。为开拓三维立体彩 色显示的国际市场， 参与国际竞争奠定基础， 提供技术储备。 主要技术指标如下：1）三维立体彩色显示用透明微晶玻璃的尺寸大小 2020 20mm 3，均匀 性n 0.01 ；可见光（ 400 750nm ）范围内的透过率 80%.2）原型器件和系统的成像扫描速度 100 像素/ 秒3）采用同一块块体材料实现红、蓝、绿的立体彩色显示。拟申请全固态立体彩色显示的材料和器件相关专利

4、 5 6 项。发表高质量学 术论文 10 篇。培养博士生 2 名、硕士生 3 名。3.2 课题主要研究技术的国内外发展现状与趋势，课题主要研究技术国内外专利 授权情况长期以来人们一直在寻求一种能够在三维空间内显示图象的技术。电视是已 经相当成熟的平面显示。观察者只能在正对屏幕的一定区域内观察图像，不能获 得任何关于图像的深度信息。三维立体显示则不受观察者所在位置的影响，观察 者可以围绕显示体 360 o进行观察。并且三维显示所能表达的信息量远远超过了平 面显示，它能即时表现物体任何一个角度任何一个部位的动态信息。这些优点使 得三维立体显示技术在光信息、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景，现在世

5、 界各国都在竞相开发相关的三维立体显示技术。目前仍然有很多研究者利用二维 显示技术来表现三维立体空间，称之为虚拟三维显示，如日本东芝公司开发了一 种平面立体显示技术。其原理主要是利用了人的双眼的视差，利用左眼和右眼接 收到的不同图象，从而产生立体的感觉。但是由于其存在图形显示更新频率低， 动态显示困难、图形分辨率低等问题，不能满足未来立体显示的要求；另一种三 维显示技术全息术则利用的是光的干涉。它不同于平面显示技术，它显示的 图象具有真实的体积，然而全息映像技术仅仅是记录物体的静态立体映像，尚不 能主动创造立体图像，不适合计算机的控制，而且对观察范围也有较大的限制。体三维显示技术显示的是真实的

6、立体图像，如 Perspecta (Proc. SPIE 4297(2001)227) 系统。Perspectra 的旋转面是一个直立投影平面。 在显示物体 的三维图像时，先通过软件生成物体的剖面图，将构成物体的剖面图高速投影到 高速旋转的投影面上去，利用人眼视觉的暂留效应产生物体的立体影像。 Perspectra 采用了三块 DLP (数字光处理)芯片，分别控制形成红、绿、蓝三 种颜色的剖面图像，通过底座固定的光学系统以及随马达同步旋转的光中继镜片 的反射，最终投影至屏幕上面。但是 Perspectra 的扫描体显示由于旋转屏幕遮 挡造成的死区太多，并且对旋转屏幕的平稳性要求较高，任何震动都

7、会造成图像 的模糊甚至难以辨认。静态体显示的显示体并不需要高速旋转的投影屏来获得一个 “体积”，显示体 本身就拥有一定的体积。激光束照射到显示体内部某一点激发出荧光，利用人眼视觉的暂留效应，当激光快速地依次激发显示体内部空间中的点时就可以形成一 幅三维立体图像，图像以一定的频率进行更新便能够表现动态的图像，是今后发 展的一个方向。美国斯坦福大学的 Downing 等在 1996 年研发了一种三维显示 技术。显示体是掺杂了稀土的重金属氟化物玻璃；激发源是三对红外激光器。为 了能达到三色显示， Downing 用了三种不同的掺杂物：镨产生红光，铥产生蓝 光，铒产生绿光。为了解决能级不同的三种稀土元

8、素的混合造成的交叉吸收等问 题，采用了 100 m到 500 m的薄层，薄层之间通过折射率相同的光学粘着剂粘 接，薄层掺杂不同的稀土元素。每一种掺杂物都要靠波长合适的激光交叉才能激 发。通过使用计算机控制的扫描系统，发光点可以在显示体内任何一点显现，从 而构成复杂的图像结构。因为发光点在激发源移开后就马上消失，所以图片必须 有规律地更新。 30Hz 到 100Hz 的速率可以避免图像闪烁。 他们成功演示了利用 上转换荧光的立体显示。他们的论文在 Science 273(1996)1185-1189 上发表 后引起了轰动，被评为当年世界十大科技进展。表明了整个世界对这种体三维显 示的普遍关注和重

9、视。3.3 课题主要研究内容、拟解决的技术难点和主要创新点，现有研究基础Downing 等提出的利用稀土离子激发态跃迁的上转换荧光的三维彩色显示 虽然非常有意义，但存在 1）显示材料制造非常繁复 2 ）Pr 等离子的发光颜色不 纯 3 ）分辨率低 4 ）需要两束光汇聚，系统复杂 5 ）存在基于激发态寿命的幽灵 点现象。本课题旨在探索提供一种既解决了繁复的显示体成型工艺问题，发光色纯， 分辨率高，不存在幽灵点现象的透明介质内部形成三维彩色显示用材料和系统。其工作原理是当将肉眼不可见的近红外激光（包括连续和脉冲激光）照射到 含有纳米尺度（ 1 纳米 -1000 纳米）二阶非线性光学微晶的透明介质时

10、，在激光 焦点附近会产生光强与激光光强的平方成正比的倍频（可见区域的）散射光。改 变激光的波长，具有超高速响应的倍频光的波长相应改变。通过高速扫描从而可 实现在透明介质内部的三维动态彩色立体显示。（1）主要研究内容1）选择能整体析出二阶光学非线性微晶的玻璃系统，熔制化学稳定性和热稳 定性好的的玻璃，进行折射率、密度等测定和性能表征。 2 ）研究材料的晶核形 成和晶体生长的动力学过程，探讨形成透明微晶玻璃的热处理工艺。3 ）优化玻璃组成和工艺条件，获得大尺寸（ 2020 20mm 3）高透明微晶玻璃。 4）用 XRD 、透射电镜等分析晶粒的形貌和尺寸分布，研究晶化机理。5）研究纳秒、皮秒、飞秒激

11、光聚焦照射下发光形状、光谱特性及超快响应。 6 ）建立计算机控 制振镜扫描系统，进行全固态立体彩色动态显示演示。（2）技术难点与主要创新点 本课题的技术难点在于：微晶玻璃如零膨胀微晶玻璃可以做得很大，且已得 到广泛应用。但具有二阶光学非线性的透明微晶玻璃迄今为止只局限在纯基础研 究，没有任何关于大尺寸微晶玻璃研究和应用方面的报导。我们将系统探索与组3.4 课题预期达到的目标、主要技术指标，可获得专利等知识产权及人才培养情况通过本课题的研究，开发出适合于全固态立体彩色显示的材料，申请相关具 有自主知识产权的专利， 并且开发出能进行三维立体彩色显示的原型器件和系统， 为开拓三维立体彩色显示的国际市

12、场，参与国际竞争奠定基础，提供技术储备。 主要技术指标如下：1） 三维立体彩色显示用透明微晶玻璃的尺寸大小 20x20x20mm 3，均匀性n0.01 ；可见光（ 400 750nm ）范围内的透过率 80%.2 ）原型器件和系统的成像扫描速度 100 像素/ 秒3 ）采用同一块块体材料实现红、蓝、绿的立体彩色显示。拟申请全固态立体彩色显示的材料和器件相关专利 5 6 项。发表高质量学 术论文 10 篇。培养博士生 2 名、硕士生 3 名。3.5 课题拟采取的研究方法，课题技术路线（或实施方案）及其可行性分析（1）研究方法1）材料制备在归纳和总结已有文献的基础上，选择具有良好化学稳定性和热稳定

13、性且能 在晶化温度附近整体而不是表面产生具有二阶光学非线性的微晶析出的氧化物玻 璃（主要为硅酸盐玻璃也包括其它氧化物玻璃如锗酸盐、镓酸盐、铋酸盐、碲酸 盐和磷酸盐玻璃）；获得尺寸 10 10 10mm 3 的均匀玻璃；用光学显微镜和电 子显微镜观察分析玻璃的微观结构（析晶、分相等） 。2）晶化工艺摸索用差热分析（ DTA ）、X 射线衍射和透射电镜研究玻璃的析晶稳定性和晶化动 力学过程；研究晶核形成和晶体生长规律，分析晶粒尺寸大小和分布对折射率及 光透过率的影响规律，用透射电镜和电子能量损耗谱分析析出的微晶的结构。3）空间选择性发光特性的研究采用纳秒、皮秒和飞秒激光以及光学显微镜观察系统研究基

14、于二阶光学非线 性效应的空间选择性发光的立体分布和变化规律，用泵浦探测技术研究发光的时 间响应特性。4）三维彩色显示构建计算机控制振镜系统，设计优化相关的软件。（2）课题技术路线通过玻璃研制晶化处理性能表征反过来指导玻璃组成。设计和晶化工 艺优化的技术路线，首先开发具有优异光学质量的尺寸 20 20 20mm 3 的玻 璃；优化晶化条件，控制晶核形成和晶体生长，获得空间选择性发光性能优异的 透明微晶玻璃；优化设计计算机控制扫描系统，进行立体彩色显示。（3）可行性分析我们已经进行了初步的探索，发现 Sr2TiSi 2 O8 系透明微晶玻璃在用短脉冲的 近红外激光聚焦照射时，在透明微晶玻璃内部的焦

15、点附近产生基于倍频效应的可 见光。调节近红外激光的波长，产生的可见光的波长相应改变，演示了空间选择 性红、蓝、绿发光。并且利用泵浦探测发现发光的时间响应快达 200fs 。表明基 于这种原理的三维彩色显示具有现实性和可能性。我们已申请相关专利。 6本课题将在此基础上继续探索，制备出能够实现大尺寸三维立体显示的透明 微晶玻璃材料，为我国三维立体显示器件的研制及产业化奠定基础，实现真正具3.6 课题预期研究成果对相关技术发展的影响和应用转化前景的预测 （包括国内外应用或市场现状、潜在用户、市场前景，经济效益和社会作用等）本课题研究的基于二阶光学非线性效应的全固态立体三维彩色现在在国内 外尚无这方面

16、的报导。在国外像全息成像再现系统、虚拟三维显示和频率上转换 三维立体显示已走向市场，但仍局限在一些博物馆、展览馆、大型娱乐场或原理 性演示。我们提出的富有创新性的基于微纳结构二阶光学非线性效应的全固态立 体彩色显示具有区别于其它技术的明显优点，如制备工艺简单、分辨率高、不存 在幽幻点等，是全新的立体彩色显示技术，在今后将会具有巨大的市场，不仅可 用在科技馆、展览馆和游乐场等，而且在医疗、国防、军事等领域具有广泛的应 用前景，甚至我们可以期待在将来替代现在的平面电视走入每个寻常百姓家。如 研制成功，将会带来明显的经济效益，并产生深远的社会影响，象 DVD 、电视一 样渗透每一个角落，改变人们的世

17、界观和生活方式。这种全新的立体显示方法的出现将大大推动立体显示材料和器件及系统相 关领域的发展，对整个国民经济起到很好的推动作用。预计在不久的将来将会有 很多厂家和研究机构参与开发，并实现产业化。3.7 课题组现有及依托单位承诺提供的支撑条件，其它所需增添的支撑条件和主 要仪器设备 （说明用途）本项目依托硅材料国家重点实验室所属光子材料研究室。研究室近年来在激 光与材料的相互作用、强场诱导功能微结构、微光子学器件制备等方面取得了多 项研究成果，积累了经验。目前的工作包括激光与物质的相互作用，飞秒激光超 精细加工和微结构制备、电子束诱导纳米微结构、光子晶体和光子玻璃研制等。 研究室现拥有 1KH

18、z 的飞秒激光器（ Spectra-Physics 公司产，）一台，可调谐 纳秒激光系统（美国 Continnum 公司）一台，各种波长的半导体激光器 , 高性 能 TEM 00 模 CO2 激光器和高功率 Ar +激光器（Spectra-Physics 公司产），各类 光谱表征仪器（日本分光 JASCO 紫外 -红外分光光度计，日本分光紫外可见荧光 光谱仪， J-Y-SPEX 系列显微拉曼光谱仪） ，100-1700 的各种玻璃熔制和热处 理电炉 , 小型精密切割和抛光机。另外还有气氛炉和溶胶 -凝胶镀膜装置。这些实 验条件均是和本申请项目的研究工作直接相关的。本课题将使用的主要仪器设备 将应用实验室已有的条件。 结构测试和表征方面将主要利用 的测试中心的现有条 件。三维扫描系统将采用国产的振镜和控制系统进行构建。3.8 课题经费支出预算 （包括总经费和申请 863 计划经费 的支出预算）单位：万元申请从 863 计划科目预算数经费中列支数国拨1、人员费5510.52、设备费9993、材料费2020194、测试化验加工费1212155、燃料动力费9966、差旅费121267、会议费101018、国际合作与交流费99109、出版/ 文献/ 信息传播 / 知识产权事务费66810 、专家咨询费331.511 、管理费55712 、其它费用00合计10010093四、协作单位基本