有關(guān)偏振片的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1、（華東）china university of petroleum物理演示實(shí)驗(yàn)結(jié)課論文題目：有關(guān)偏振光的設(shè)計(jì)與應(yīng)用學(xué)生姓名：梁紹祥學(xué) 號(hào)：12095208專業(yè)班級(jí)：材料物理12022013年12月5日有關(guān)偏振光的設(shè)計(jì)與應(yīng)用梁紹祥（中國(guó)石油大學(xué)（華東）理學(xué)院，山東 青島266580 ）摘要:光與我們的生活密不可分，是自然界的能源z源。光波的木質(zhì)是電磁波，偏振是光的重要性 質(zhì)之一，很多重耍的光學(xué)現(xiàn)象都與光的偏振有關(guān)。在1808年，馬呂斯在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了偏振光，從那以后, 人類發(fā)明了偏振片，并且利用它的待點(diǎn)做成了各種光學(xué)的精密儀器，為科學(xué)的研究帶來(lái)了一種手段。因此， 研究和利用好偏振光對(duì)生產(chǎn)生活的提高

2、改善冇很人作用。關(guān)鍵詞：偏振光；物理原理；應(yīng)用領(lǐng)域the design and application of polarized lightliang shao xiang（china university of petroleum （east china） college of sciences, qingdao 266555）abstract:thc light is close to us as the source of all energy rcsourccs.thc essence of light-wave is electromagnetic wave. polarized l

3、ight is a significant property of light. so many significantoptical phenomena are related to polarized light. at 180&malus discovered polarized light in experiment. after that, people invented polaroid which is made to various of precision instrument of light on the base of its characteristic. t

4、hus, to study and utilize well have a huge influence in our daily life and production.keywords :polarized light; physical principle； application area1 刖r振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚?duì)稱性叫做偏振，它是橫波區(qū)別于其他縱波的-個(gè)最明顯的 標(biāo)志，只冇橫波才冇偏振現(xiàn)象。光波是電磁波，因此，光波的傳播方向就是電磁波的傳播方 向。光波中的電振動(dòng)矢量e和磁振動(dòng)矢量h都與傳播速度v垂直，因此光波是橫波，它具有 偏振性，具有偏振性的光則稱為偏振光.通過(guò)反射、多次折

5、射、雙折射和選擇性吸收的方法可以獲得平面偏振光除此之外，人 工方法制成的薄膜偏振片（用特殊方法使選擇性吸收很強(qiáng)的微粒品體在透明膠層中作有 規(guī)則排列而制成，允許透過(guò)某一電矢雖振動(dòng)方向的光（此方向稱為偏振化方向），而吸收與 其垂直振動(dòng)的光，即具有二向色性），自然光通過(guò)偏振片后，透射光基本上成為平而偏振光。生活中，偏振片廣泛應(yīng)用于汽車車燈，立體電影，攝像機(jī)鏡頭，led液晶屏等等，甚至 在牛物生理機(jī)能和醫(yī)療上也有了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。1偏振光的性能表征偏振片性能從外觀和光學(xué)性能等兒個(gè)方而考察,外觀主要是指偏振片的表而狀況和 顏色，常見的顏色有灰色、淺藍(lán)灰色和中灰色。為了滿足人們個(gè)性化的需求，偏振片止向 彩

6、色方向發(fā)展，如紅色、綠色、藍(lán)色、紫色等。光學(xué)特性包括二向色性比r、有序度s、 透過(guò)率tsp和偏振度p等偏振性能丿ij偏振度和二向色性比來(lái)表示，偏振度稱為偏振膜的 偏振效率。其定義為：z#+ z 丄或者式屮r、t丄分別表示兩偏振片組合時(shí)光軸平行和垂直時(shí)的透過(guò)率。當(dāng)卩丄二0時(shí)，戶二1 ,偏振度最好。二向色性比log(l/ t j log<l/ t j有序度r - 1r +2(4)透過(guò)率 tsp=（t t x）（5）消光比:兩片平行放置的偏振片相互轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),最小透過(guò)光強(qiáng)i min和最人透過(guò)光強(qiáng)imax z比， 即h二i min/ imax。偏振膜的透過(guò)率和透過(guò)光強(qiáng)用紫外2可見光分光光度計(jì)來(lái)測(cè)量。

7、消光 比越小，偏振片的質(zhì)量越好,碘素偏振片的消光比一般為103。其他的性能指標(biāo)如色度、 有效厚度等，色相為偏振膜顏色所對(duì)應(yīng)的色度指標(biāo)，有效厚度為整個(gè)偏振膜的厚度，包括基片、 黏膠和保護(hù)膜的厚度。2偏振光的產(chǎn)生方式（如前言中所說(shuō)）利用偏振片產(chǎn)牛:的方式主要有:反射和折射、雙折射、散射、二向色 性物質(zhì)吸收、金屬絲光柵（或金屬薄膜）。不同種類偏振片具有其口身的特點(diǎn)，不同的場(chǎng) 合下可獲得授好的應(yīng)用效果，如金屬類型的偏振片可川于溫度較高的場(chǎng)合，散射型偏振 片用于要求真實(shí)反映h然光顏色的儀器上，而反射、雙折射型則較多應(yīng)用于棱鏡等偏振 儀器。3.偏正片的類型3. 1 反.射偏振片當(dāng)一束自然光以e b入射到玻

8、璃表面，與折射角9 t滿足布儒斯特定律，即e b + e t = 90 ° , 反射光為全偏振光;隨著玻璃層數(shù)的增加，折射光的偏振度越來(lái)越高。該類偏振片只能應(yīng)川在 i些特殊的儀器設(shè)備上，光源入射角受到嚴(yán)格限制，不適合平板顯示。利用晶體的雙折射現(xiàn)象 可以產(chǎn)生偏振光,如常用的尼科耳棱鏡。膽?zhàn)^型液品也可作為寬波段反射式偏振片，這是一種 在螺旋狀膽?zhàn)^型液品中引入距梯度，可見光經(jīng)其反射后得到圓偏振光，再通過(guò)1/ 4波片后轉(zhuǎn) 變?yōu)橹本€偏振，對(duì)直接用于液晶顯示屏。3. 2二向色性偏振片物質(zhì)對(duì)兩種振動(dòng)方向互相垂直的偏振光的選擇性吸收特性稱為二向色性，典型晶體冇電氣石 (tourmaline)和碘硫酸

9、金雞鈉(herapathite)。一塊1 mm厚的電氣石幾乎可以將0光全 部吸收，而e光的吸收隨著波長(zhǎng)的不同而差別很大，單晶電氣石可以切割成偏振片。3. 3 散射型偏振片當(dāng)光通過(guò)偏振物質(zhì)時(shí)，物質(zhì)中的電了在光波電磁場(chǎng)的作用下發(fā)生受迫振動(dòng)，成為次波源，當(dāng)微 粒的大小為透過(guò)光波長(zhǎng)的1/ 5時(shí),散射光的一部分為偏振光。利用光的強(qiáng)烈散射或全反射 原理町制造無(wú)色散射型偏振片，它對(duì)可見光波段光的透過(guò)率較高，特別適用于一些要求真實(shí)反映自然光的偏振儀器。在兩塊zk3平玻璃片中抽真空 并充入硝酸鈉,zk3平玻璃片折射率n = 1. 589 1，硝酸鈉0光的折射率no = 1. 588 4 , e光折射率ne =

10、1. 336 9，兩者差別較大，e光幾乎全部被反射或散射，無(wú)法從品體中射 ill,故得到線性偏振光。聚合物中加入芯殼由不同材料組成的粒了，分散并經(jīng)熱擠壓成膜，再 拉伸取向，使基體的折射指數(shù)和分散相粒了的0或e光的折射系數(shù)(僅其屮之一)相配，而 與另一折射系數(shù)失配，町獲得線性偏振光。如在聚乙烯對(duì)苯二酸鹽屮加入橡膠態(tài)芯売粒子(直 徑200 nm，芯:苯乙烯2 丁乙烯，殼:pmma ,折射指數(shù)1. 530),拉伸比為4、5時(shí)，乙烯對(duì) 苯二酸鹽的0光折射指數(shù)逐漸下降到1. 53 , e光折射指數(shù)上升為1. 68 ,因而e光被顆 粒散射，這種偏振片的適用波長(zhǎng)范圍受摻雜粒子大小的影響，耐濕熱性能比碘素偏振

11、片好得 多。以液晶分子作為分散相粒子，基體為聚乙烯醇，經(jīng)拉伸取向也可制得散射型偏振片。聚合 物單體與向列相液晶以不同濃度配比可制成電光特性的散射型偏振片。3. 4金屬絲光柵最簡(jiǎn)單的偏振器件是平行導(dǎo)線柵，和導(dǎo)線方向平行的電場(chǎng)分量與導(dǎo)線和碰撞，能量被吸收，而垂直方向的電場(chǎng)分量則順利透過(guò)。線柵間距 要和可見光波長(zhǎng)(400700 nm)接近，間距如此小的光柵制作較為困難，一種方式是真空蒸 發(fā)ag、au、pb、cu、al等，原子束兒乎以平行方向(入射角8 >80 ° )蒸鍍到以硫化鋅或 硒化鋅為襯底的閃耀光柵上形成極細(xì)的金屬導(dǎo)線或在襯底上形成一條條方向一-致短線，可 起到偏振片的作用；另

12、一種方式是用光刻11 的方法在沉積有金屬薄膜的襯底上刻蝕出寬 度和町見光波長(zhǎng)相當(dāng) 的導(dǎo)線，也冇偏振作用。3. 5活性不拉伸偏振片活性不拉伸偏振片包括一層光活性分子層和一層與所述層接觸形成的二向色性分子層，不用 拉伸工序便可制造，可以制成具有復(fù)雜圖像、彎illi農(nóng)而或大面積的偏振片。其方法是用直線 偏振光照射基材上的光活性分了層，并對(duì)其電暈放電處理或紫外線輻照處理后形成二向色性 分子層，利用該分子層所貝有的光吸收各向異性，使透過(guò)光產(chǎn)生偏振，偏振度為67 %77 %, 但膜層機(jī)械性能較差，應(yīng)用較少。另外述有其他類型的偏振片，如通過(guò)離子交換法在玻璃上沉 積440血 大小的球形銀顆粒,經(jīng)退火處理后，在

13、650 °c対玻璃以恒應(yīng)力拉伸而使表面球形 粒了變形取向，橢球粒了的長(zhǎng)軸和短軸方向?qū)饩邇硬煌奈招?yīng)即二向色性，從而形成 偏振玻璃。層狀偏振片（由透明層（如:si02）和吸收層（如ge、al等）交替排列而成）可 以對(duì)透過(guò)的白然光產(chǎn)住偏振，采用射頻磁控濺射鍍制錯(cuò)和不銹鋼的混合物超薄薄膜作為吸收 層，対從可見光到紅外光波段范圍內(nèi)都有高質(zhì)量的偏振效應(yīng)。4 典型偏振片的制作工藝偏振片的制作工藝分為基膜制備、拉伸、染色、膜片組合以及圧敏膠的合成等技術(shù)。制作方 法分為干法和濕法,t法是指pva膜在一定的溫度和濕度下加以染色、單向拉伸的技術(shù);濕 法是指偏振膜在一定量配比的溶液小進(jìn)行染色、拉伸的

14、工藝。從20世紀(jì)90年代末起，日本 偏振片企業(yè)己經(jīng)普遍采用濕法進(jìn)行牛產(chǎn)，特別是tft2lcd產(chǎn)品的人幅度發(fā)展,使得濕法成為 偏振片最基木的生產(chǎn)工藝。目前，偏振片的所有附件均已實(shí)現(xiàn)專業(yè)化生產(chǎn)，典型的生產(chǎn)制造工 藝如下圖所示。開卷膨脹槽染色槽拉伸槽固定椿水洗槽烘千爐收卷4. 1 配制溶液 偏振膜主要材料是聚乙烯酸，聚合度一般在2 400以上,最佳為3 5005 000o偏振膜是水 解流延成膜，聚乙烯醇的醇解度越高，性能越好?；こ顺Ｓ玫木垡蚁┐纪?，其他還有聚乙 烯、聚乙烯對(duì)苯二酸鹽、聚丙烯酸、乙烯醇和乙烘的共聚物。加入耗乙基纖維素（1iec）或部 分脫水來(lái)提高pva耐久、耐濕熱性能。4. 2 單

15、向拉伸用流延法或熱擠壓成型制成厚膜,單向拉伸至少3. 5倍以上才可保證偏振膜的性能,它是制 造偏振膜的關(guān)鍵工藝z-o拉仲過(guò)程中伴隨著高分子鏈的取向，用力不均勻時(shí)，會(huì)出現(xiàn)膜厚波動(dòng)太人，中間薄兩邊厚的現(xiàn)象，有時(shí)出現(xiàn)空洞或裂紋并擴(kuò)展斷裂而使薄 膜失效。拉伸比根據(jù)材料的性能而定，拉伸倍數(shù)太低，性能不能滿足規(guī)定要求;拉伸倍數(shù)太高 時(shí)，膜厚相對(duì)誤差難以控制幾工藝趨于復(fù)雜。拉伸比越大，聚合物的密度、結(jié)晶性、雙折射、 彈性模量和抗拉強(qiáng)度均明顯增大23 ，基體分了的冇序性增加，將使偏振度增加，但斷裂強(qiáng) 度下降，膜變薄，有使偏振度下降的趨勢(shì)。所用的拉伸方法有抗張力拉伸、滾壓拉伸、熱板拉 伸等,其中滾壓拉伸便于實(shí)現(xiàn)

16、流水線牛產(chǎn)11膜厚容易控制，可以用餛輪的表而光潔度和軸間 的縫隙來(lái)控制偏振膜表而質(zhì)量。在拉伸的過(guò)程中或結(jié)束時(shí)熱處理町以提高偏振膜的耐濕熱性 能，拉伸時(shí)聚乙烯醇保持一定的溫度，一般為成膜聚合物的玻璃化溫度以下20 °c左右24。 4. 3 浸漬染色將碘和儆化鉀溶解在蒸謂水屮，制成高價(jià)碘離了溶液，拉伸后薄膜浸衣這種溶液屮一 定時(shí)間， 碘和聚乙烯醇形成絡(luò)合物后具有偏振效應(yīng)。碘素偏振膜耐熱性能較差,溫度到100 °c很快褪 色,失去偏振性能，因而，浸碘后需穩(wěn)定化處理，一般浸入硼酸和硼化物中進(jìn)行交聯(lián)穩(wěn)定化處 理或采用h2o2氧化處理，也冇用川醛穩(wěn)定處理。硼酸對(duì)pva基體冇酯化作用，在

17、用硼酸處理 的過(guò)程中，反應(yīng)時(shí)間和溫度是最敏感的,適當(dāng)調(diào)整硼酸溶液的ph值可以增加發(fā)色團(tuán)的穩(wěn)定 性,ph值為57時(shí)，可以最大優(yōu)化酯化反應(yīng),避免強(qiáng)堿聚碘發(fā)色團(tuán)的褪色作用25 o硼酸 對(duì)基膜具有氧化作用，氧化時(shí)間對(duì)偏光膜的顏色、深度和均勻性影響較大，時(shí)間越長(zhǎng),基膜中 越多的1 -被氧化成12，顏色越深，偏振度的變化與碘的價(jià)態(tài)和聚集態(tài)有關(guān)，膜的顏色和染 色均勻性直接影響偏振度和透過(guò)率。彩色偏振片依賴丁染料分子和聚乙烯醇的相互作用所產(chǎn) 生的二向色性，利用染料對(duì)光的選擇性吸收作用而使偏振膜顯示出各種顏色。與碘索偏振片 相比,染料偏振片的偏振效率明顯偏低，透過(guò)率、染色的均勻性等方而也沒有浸碘的好，且價(jià) 格較

18、為昂貴，但耐高溫、耐濕熱性能、耐久性等方面耍好。所選擇的染料應(yīng)具有高的二向色 性、優(yōu)良的耐濕熱性能和染色性能。另一種方法是將拉伸的聚乙烯醇膜片在氯化氫氣體中加 熱,定型的聚乙烯醇膜片經(jīng)脫水后稍微變黑，具有極強(qiáng)的二向色性,性能更加穩(wěn)定，即使強(qiáng)光 照射也不易褪色。隨著lcd產(chǎn)品使用范圍的擴(kuò)大，偏振片的耐濕熱性能要求越來(lái)越高，如要求在100 和90 %rh條件下工作,碘素偏振片無(wú)能為力，開發(fā) 高耐久耐濕熱性能的染料偏振片成為必然選擇。4. 4 膠合保護(hù)膜聚乙烯醇或其共聚物本身的耐濕熱性能較差,強(qiáng)度低幾屬于活性材料，易吸收空氣中塵埃，在 濕熱的環(huán)境中很快因變形、收縮、松弛、褪色，強(qiáng)度下降而失效,因而需

19、在偏振膜的表血貼上 或鍍上一層保護(hù)膜。該膜具有-良好的透光性、耐濕熱性能和尺寸穩(wěn)定性,如三醋酸纖維素酯 (tac)、三酰纖維素丁酸酯(cab)、聚丙烯(polypropylene)和氨基甲基乙脂(urethane) 27等，其中tac比cab具有更好的耐濕和光學(xué)性能，應(yīng)用較多。由于切割、運(yùn)輸過(guò)程中可 能劃傷或玷污該保護(hù)膜,再加一層外保護(hù)膜，多為聚酯、聚丙烯酸脂、聚烯坯類等。用真空蒸 鍍或離子濺射法在偏振膜的表而沉積一層氧化硅薄膜也對(duì)起到保護(hù)作用。偏振片內(nèi)外保護(hù)膜 z間冇一層壓敏膠。具冇良好的透明性和耐濕熱性能，壓敏膠的成分主要是丙烯酸系列。傳 統(tǒng)的碘素偏振片無(wú)法滿足多方面的使用要求，改性處理可提高其性能。增加染料的氧化性有- 利于提高偏振膜的耐濕熱性能，如在碘液中加入氧化性較強(qiáng)的h202 ,制備了耐濕熱性能較好 的偏振膜26 。將乙基纖維素(hec)和聚乙烯醇(pva)相混合，加入溶解有碘化金屬鹽 的溶液后流延成膜，經(jīng)氧化、拉仲、干燥后得到柔韌性較好的偏振膜22