1、課題類型：1.探索導向類 申請受理編號:2.目標導向類 口國家高技術研究發展計劃（863計劃）專題課題申請書技術領域名稱：新材料領域專題名稱： 納米材料與器件申請指南技術方向：納米電子，洋子材料與器件課題名稱： 具有微納結構的固態立體彩色顯示材料與器件申請人：依托單位：中華人民共和國科學技術部二零零六年九月 十 日5三、課題情況3.1課題簡介（簡要說明課題的目的意義、主要研究內容、預期目標等。字數要求1000字以內）全固態三維立體彩色顯示在文化娛樂、醫療診斷、飛行模擬、汽車和建筑設 計等方面有著非常廣闊的應用前景，是當今國際上重要科學研究前沿領域之一。 本課題旨在探索開拓一種基于二階光學非線性

2、效應實現空間選擇性頻率轉換這種 全新原理的全固態立體彩色顯示材料和系統。本課題的主要研究內容：1）選擇能析出二階光學非線性微晶的玻璃系統，制備化學穩定性和熱穩定性好的的玻璃，進行折射率、密度等測定和性能表征 .2）研究材料的晶核形成和晶體生長的動力學過程，探討形成透明微晶玻璃的 熱處理工藝。3）優化玻璃組成和工藝條件，獲得大尺寸（學 20x20x20mm3）高透明微晶 玻璃。4）用xrd、透射電鏡等分析晶粒的形貌和尺寸分布，研究晶化機理。5）研究納秒、皮秒、飛秒激光聚焦照射下發光分布、光譜特性及超快響應。6）建立計算機控制振鏡掃描系統，進行全固態立體彩色動態顯示演示。本課題的預期目標：開發出適

3、合于全固態立體彩色顯示的材料，申請相關具有自主知識產權的專 利，并且開發出能進行三維立體彩色顯示的原型器件和系統。為開拓三維立體彩 色顯示的國際市場，參與國際競爭奠定基礎，提供技術儲備。主要技術指標如下：1）三維立體彩色顯示用透明微晶玻璃的尺寸大小學20 x20 20mm3,均勻性門 迎.01 ;可見光（400750nm）范圍內的透過率80%.2）原型器件和系統的成像掃描速度100像素/秒3）采用同一塊塊體材料實現紅、藍、綠的立體彩色顯示。擬申請全固態立體彩色顯示的材料和器件相關專利56項。發表高質量學術論文10篇。培養博士生2名、碩士生3名。3.2 課題主要研究技術的國內外發展現狀與趨勢，課

4、題主要研究技術國內外專利 授權情況長期以來人們一直在尋求一種能夠在三維空間內顯示圖象的技術。電視是已 經相當成熟的平面顯示。觀察者只能在正對屏幕的一定區域內觀察圖像，不能獲 得任何關于圖像的深度信息。三維立體顯示則不受觀察者所在位置的影響，觀察 者可以圍繞顯示體3600進行觀察。并且三維顯示所能表達的信息量遠遠超過了平 面顯示，它能即時表現物體任何一個角度任何一個部位的動態信息。這些優點使 得三維立體顯示技術在光信息、醫療、國防等領域具有廣泛的應用前景，現在世 界各國都在競相開發相關的三維立體顯示技術。目前仍然有很多研究者利用二維 顯示技術來表現三維立體空間，稱之為虛擬三維顯示，如日本東芝公司

5、開發了一 種平面立體顯示技術。其原理主要是利用了人的雙眼的視差，利用左眼和右眼接 收到的不同圖象，從而產生立體的感覺。但是由于其存在圖形顯示更新頻率低， 動態顯示困難、圖形分辨率低等問題，不能滿足未來立體顯示的要求；另一種三 顯示技術一一全息術則利用的是光的干涉。它不同于平面顯示技術，它顯示的 圖象具有真實的體積，然而全息映像技術僅僅是記錄物體的靜態立體映像，尚不 能主動創造立體圖像，不適合計算機的控制，而且對觀察范圍也有較大的限制。體三維顯示技術顯示的是真實的立體圖像，如perspecta (proc. spie4297(2001)227)系統。perspectra的旋轉面是一個直立投影平面

6、。在顯示物體的 三維圖像時，先通過軟件生成物體的剖面圖，將構成物體的剖面圖高速投影到高 速旋轉的投影面上去，利用人眼視覺的暫留效應產生物體的立體影像。perspectra采用了三塊dlp (數字光處理)芯片，分別控制形成紅、綠、藍三種顏色的剖面 圖像，通過底座固定的光學系統以及隨馬達同步旋轉的光中繼鏡片的反射，最終 投影至屏幕上面。但是perspectra的掃描體顯示由于旋轉屏幕遮擋造成的死區太 多，并且對旋轉屏幕的平穩性要求較高，任何震動都會造成圖像的模糊甚至難以 辨認。靜態體顯示的顯示體并不需要高速旋轉的投影屏來獲得一個“體積”，顯示體本 身就擁有一定的體積。激光束照射到顯示體內部某一點激

7、發出熒光，利用人眼視 覺的暫留效應，當激光快速地依次激發顯示體內部空間中的點時就可以形成一幅 三維立體圖像，圖像以一定的頻率進行更新便能夠表現動態的圖像，是今后發展 的一個方向。美國斯坦福大學的downing等在1996年研發了一種三維顯示技術。 顯示體是摻雜了稀土的重金屬氟化物玻璃；激發源是三對紅外激光器。為了能達 到三色顯示，downing用了三種不同的摻雜物：錯產生紅光，悠產生藍光，餌產 生綠光。為了解決能級不同的三種稀土元素的混合造成的交叉吸收等問題，采用 了 100 nm到500 rm的薄層，薄層之間通過折射率相同的光學粘著劑粘接，薄層 摻雜不同的稀土元素。每一種摻雜物都要靠波長合適

8、的激光交叉才能激發。通過 使用計算機控制的掃描系統，發光點可以在顯示體內任何一點顯現，從而構成復 雜的圖像結構。因為發光點在激發源移開后就馬上消失，所以圖片必須有規律地 更新。30hz到100hz的速率可以避免圖像閃爍。他們成功演示了利用上轉換熒 光的立體顯示。他們的論文在 science 273(1996)1185-1189上發表后引起了轟 動，被評為當年世界十大科技進展。表明了整個世界對這種體三維顯示的普遍關3.3 課題主要研究內容、擬解決的技術難點和主要創新點，現有研究基礎downing等提出的利用稀土離子激發態躍遷的上轉換熒光的三維彩色顯示雖 然非常有意義，但存在1）顯示材料制造非常繁

9、復 2） pr等離子的發光顏色不純 3）分辨率低4）需要兩束光匯聚，系統復雜 5）存在基于激發態壽命的幽靈點 現象。本課題旨在探索提供一種既解決了繁復的顯示體成型工藝問題，發光色純，分辨率高，不存在幽靈點現象的透明介質內部形成三維彩色顯示用材料和系統。其工作原理是當將肉眼不可見的近紅外激光（包括連續和脈沖激光）照射到 含有納米尺度（1納米-1000納米）二階非線性光學微晶的透明介質時，在激光 焦點附近會產生光強與激光光強的平方成正比的倍頻（可見區域的）散射光。改 變激光的波長，具有超高速響應的倍頻光的波長相應改變。通過高速掃描從而可 實現在透明介質內部的三維動態彩色立體顯示。（1）主要研究內容

10、1）選擇能整體析出二階光學非線性微晶的玻璃系統，熔制化學穩定性和熱穩定性好的的玻璃，進行折射率、密度等測定和性能表征。2）研究材料的晶核形成和晶體生長的動力學過程，探討形成透明微晶玻璃的熱處理工藝。3）優化玻璃組成 和工藝條件，獲得大尺寸（學20 x20 x20mm3）高透明微晶玻璃。4）用xrd、透 射電鏡等分析晶粒的形貌和尺寸分布，研究晶化機理。5）研究納秒、皮秒、飛秒激光聚焦照射下發光形狀、光譜特性及超快響應。6）建立計算機控制振鏡掃描系 統，進行全固態立體彩色動態顯示演示。（2）技術難點與主要創新點本課題的技術難點在于：微晶玻璃如零膨脹微晶玻璃可以做得很大，且已得到廣泛應用。但具有二階

11、光學非線性的透明微晶玻璃迄今為止只局限在純基礎研 究，沒有任何關于大尺寸微晶玻璃研究和應用方面的報導。我們將系統探索與組3.4 課題預期達到的目標、主要技術指標，可獲得專利等知識產權及人才培養情 況通過本課題的研究，開發出適合于全固態立體彩色顯示的材料，申請相關具 有自主知識產權的專利，并且開發出能進行三維立體彩色顯示的原型器件和系統， 為開拓三維立體彩色顯示的國際市場，參與國際競爭奠定基礎，提供技術儲備。 主要技術指標如下：1）三維立體彩色顯示用透明微晶玻璃的尺寸大小學20x20x20mm 3,均勻性口0 0.01 ;可見光（400750nm）范圍內的透過率80%.2）原型器件和系統的成像掃

12、描速度100像素/秒3）采用同一塊塊體材料實現紅、藍、綠的立體彩色顯示。擬申請全固態立體彩色顯示的材料和器件相關專利56項。發表高質量學術論文10篇。培養博士生2名、碩士生3名。3.5 課題擬采取的研究方法，課題技術路線（或實施方案）及其可行性分析（1）研究方法1）材料制備在歸納和總結已有文獻的基礎上，選擇具有良好化學穩定性和熱穩定性且能 在晶化溫度附近整體而不是表面產生具有二階光學非線性的微晶析出的氧化物玻 璃（主要為硅酸鹽玻璃也包括其它氧化物玻璃如錯酸鹽、錢酸鹽、鈿酸鹽、硫酸 鹽和磷酸鹽玻璃）；獲得尺寸10 m0xl0mm3的均勻玻璃；用光學顯微鏡和電子 顯微鏡觀察分析玻璃的微觀結構（析晶

13、、分相等）。2）晶化工藝摸索用差熱分析（dta）、x射線衍射和透射電鏡研究玻璃的析晶穩定性和晶化動 力學過程；研究晶核形成和晶體生長規律，分析晶粒尺寸大小和分布對折射率及 光透過率的影響規律，用透射電鏡和電子能量損耗譜分析析出的微晶的結構。3）空間選擇性發光特性的研究采用納秒、皮秒和飛秒激光以及光學顯微鏡觀察系統研究基于二階光學非線 性效應的空間選擇性發光的立體分布和變化規律，用泵浦探測技術研究發光的時 間響應特性。4）三維彩色顯示構建計算機控制振鏡系統，設計優化相關的軟件。（2）課題技術路線通過玻璃研制一晶化處理一性能表征一反過來指導玻璃組成。設計和晶化工藝 優化的技術路線，首先開發具有優異

14、光學質量的尺寸202020mm3的玻璃；優 化晶化條件，控制晶核形成和晶體生長，獲得空間選擇性發光性能優異的透明微 晶玻璃；優化設計計算機控制掃描系統，進行立體彩色顯示。（3）可行性分析我們已經進行了初步的探索，發現 sr2tisi2o8系透明微晶玻璃在用短脈沖的 近紅外激光聚焦照射時，在透明微晶玻璃內部的焦點附近產生基于倍頻效應的可 見光。調節近紅外激光的波長，產生的可見光的波長相應改變，演示了空間選擇 性紅、藍、綠發光。并且利用泵浦探測發現發光的時間響應快達200fs。表明基于這種原理的三維彩色顯示具有現實性和可能性。我們已申請相關專利。6本課題將在此基礎上繼續探索，制備出能夠實現大尺寸三

15、維立體顯示的透明 微晶玻璃材料，為我國三維立體顯示器件的研制及產業化奠定基礎，實現真正具3.6 課題預期研究成果對相關技術發展的影響和應用轉化前景的預測（包括國內外應用或市場現狀、潛在用戶、市場前景，經濟效益和社會作用等）本課題研究的基于二階光學非線性效應的全固態立體三維彩色現在在國內 外尚無這方面的報導。在國外像全息成像再現系統、虛擬三維顯示和頻率上轉換 三維立體顯示已走向市場，但仍局限在一些博物館、展覽館、大型娛樂場或原理 性演示。我們提出的富有創新性的基于微納結構二階光學非線性效應的全固態立 體彩色顯示具有區別于其它技術的明顯優點，如制備工藝簡單、分辨率高、不存 在幽幻點等，是全新的立體

16、彩色顯示技術，在今后將會具有巨大的市場，不僅可 用在科技館、展覽館和游樂場等，而且在醫療、國防、軍事等領域具有廣泛的應 用前景，甚至我們可以期待在將來替代現在的平面電視走入每個尋常百姓家。如 研制成功，將會帶來明顯的經濟效益，并產生深遠的社會影響，象 dvd、電視一 樣滲透每一個角落，改變人們的世界觀和生活方式。這種全新的立體顯示方法的出現將大大推動立體顯示材料和器件及系統相 關領域的發展，對整個國民經濟起到很好的推動作用。預計在不久的將來將會有 很多廠家和研究機構參與開發，并實現產業化。163.7 課題組現有及依托單位承諾提供的支撐條件，其它所需增添的支撐條件和主 要儀器設備（說明用途）本項

17、目依托硅材料國家重點實驗室所屬光子材料研究室。研究室近年來在激 光與材料的相互作用、強場誘導功能微結構、微光子學器件制備等方面取得了多 項研究成果，積累了經驗。目前的工作包括激光與物質的相互作用，飛秒激光超 精細加工和微結構制備、電子束誘導納米微結構、光子晶體和光子玻璃研制等。 研究室現擁有1khz的飛秒激光器（spectra-physics公司產，）一臺，可調諧納 秒激光系統（美國 continnum公司）一臺，各種波長的半導體激光器 ,高性能 tem00模co2激光器和高功率 ar+激光器（spectra-physics公司產），各類光譜 表征儀器（日本分光jasco紫外-紅外分光光度計，

18、日本分光紫外可見熒光光譜 儀，j-y-spex系列顯微拉曼光譜儀），100-1700 c的各種玻璃熔制和熱處理電爐， 小型精密切割和拋光機。另外還有氣氛爐和溶膠-凝膠鍍膜裝置。這些實驗條件均 是和本申請項目的研究工作直接相關的。本課題將使用的主要儀器設備將應用實 驗室已有的條件。結構測試和表征方面將主要利用的測試中心的現有條件。三維掃描系統將采用國產的振鏡和控制系統進行構建。3.8課題經費支出預算（包括總經費和申請 863計劃經費的支出預算）單位：萬元科目預算數申請從863計劃 經費中列支數國撥1、人員費5510.52、設備費9993、材料費2020194、測試化驗加工費1212155、燃料動力費9966、差旅費121267、會議費101018、國際/作與交流費99109、出版/文獻/信息彳播/知識產權事務費66810、專家咨詢費331.511、管理費55712、其它費用00合 計10010093四、協