特種功能玻璃-偏光玻璃

0引言偏光玻璃作為一種重要的光學(xué)功能玻璃，除了具有普通二向色性偏光片所具有的工作波段寬、入射角大等特點(diǎn)，還顯示出遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)廣泛應(yīng)用的“Ｈ”型和“Ｋ”型偏光片的光損傷閾值和高機(jī)械強(qiáng)度等特性。此外，偏光玻璃比塑料或線柵偏光片具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性能，偏光玻璃可適用的溫度范圍很寬，在400℃高溫下連續(xù)工作而偏光性能保持不變，可用于多種惡劣的環(huán)境。偏光玻璃具有優(yōu)良的抗?jié)裥阅?，且可切割，有利于器件的小型化等?；诖耍獠ＡКF(xiàn)已成為光隔離器、光纖偏振器、光開(kāi)關(guān)、濾光器等一系列光纖通訊器件生產(chǎn)用的首選材料。1偏光玻璃的偏光機(jī)理偏光玻璃之所以能夠產(chǎn)生偏光效應(yīng)，歸因于玻璃基體中的金屬納米粒子（Ag\Cu\Au）與光波電矢量之間的相互作用，產(chǎn)生了金屬粒子中大量的自由電子的集體共振吸收。當(dāng)入射光波的電矢量方向與針狀金屬粒子長(zhǎng)軸方向相平行時(shí)，這部分入射光將被金屬粒子內(nèi)部的自由電子振蕩所吸收，將光能轉(zhuǎn)化為熱能；而入射光波的電矢量方向與針狀金屬粒子長(zhǎng)軸方向相垂直時(shí)，這部分光將透過(guò)，最終入射的自然光通過(guò)偏光玻璃后將轉(zhuǎn)變成線性偏振光，具體原理示意圖如圖1所示。圖1偏光玻璃起偏機(jī)理示意圖2偏光玻璃的制備方法偏光玻璃產(chǎn)生光偏振是基于金屬納米粒子表面產(chǎn)生的等離子體共振吸收，偏光玻璃的制備關(guān)鍵是針狀納米金屬粒子的生成和其定向排布。國(guó)內(nèi)外圍繞著偏光玻璃制備已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，有以下幾種主要制備方法：（1）將玻璃中的銀離子還原成單質(zhì)銀，再在高溫下強(qiáng)制拉伸玻璃，以使微納米級(jí)的單質(zhì)銀顆粒被拉長(zhǎng)，并沿玻璃拉伸方向進(jìn)行排列，制得偏光玻璃。由于單質(zhì)銀的表面張力很大，拉伸作業(yè)很困難，很容易造成玻璃斷裂。（2）將光致變色玻璃片析晶處理，生成鹵化銀微納米晶體，而后在退火點(diǎn)與軟化點(diǎn)之間的溫度下拉伸玻璃，把微納米級(jí)的鹵化銀顆粒拉伸成棒狀并沿玻璃拉伸方向排列。再通過(guò)光致變色反應(yīng)，生成棒狀的銀納米顆粒。但該法在玻璃加熱拉伸過(guò)程中，由于光致變色性能對(duì)熱處理敏感，經(jīng)常產(chǎn)生混濁和褪色等問(wèn)題。（3）拉伸還原制備工藝。該法是第二種方法的進(jìn)一步完善和發(fā)展，在玻璃拉制成型以后，不用光致變色反應(yīng)，而是將之在強(qiáng)還原氣氛中加熱還原，使玻璃表面的微納米級(jí)的鹵化銀顆粒被還原成單質(zhì)銀納米顆粒，形成棒狀銀納米顆粒，從而產(chǎn)生偏光性。這種方法是現(xiàn)今最為廣泛研究和使用的方法，工藝示意如圖2所示。圖2玻璃拉伸工藝示意圖3偏光性能測(cè)試偏振光透射率和消光比是反映偏光性能的兩個(gè)主要參數(shù)。其中，消光比表征了偏光玻璃的消光效率。對(duì)于偏光玻璃偏光性能較為精確的測(cè)量，可以采用雙鏡測(cè)試方法，它是利用平行光系統(tǒng)對(duì)兩只待測(cè)偏光玻璃同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，從測(cè)量結(jié)果推算出偏光玻璃的主透射率和消光比。測(cè)量系統(tǒng)如圖3所示。由光源S發(fā)出的單色光經(jīng)透鏡L1準(zhǔn)直后相繼通過(guò)兩只待測(cè)偏光玻璃片P1和P2，再由聚光透鏡L2把出射光聚在光電探測(cè)器D上。設(shè)兩只待測(cè)偏振片在主透射方向和主消光方向上的透射比分別為T(mén)1和T2，I0是入射到待測(cè)偏光玻璃片上的光強(qiáng)。圖3雙鏡測(cè)試法光路圖4偏光玻璃的應(yīng)用偏光玻璃具有非常優(yōu)異的近紅外光學(xué)性能，在光隔離器、光存儲(chǔ)、光傳感、光開(kāi)關(guān)及其它光偏器件領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。（1）光隔離器光隔離器是一種非可逆性元件，其作用是允許光在一個(gè)方向上低耗通過(guò)，而對(duì)于反向傳播的光呈現(xiàn)出高損耗，阻止其通過(guò)。光隔離器通常是利用磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）進(jìn)行工作的（圖4）。圖4法拉第旋轉(zhuǎn)隔離器（2）偏振光束分離器在工程學(xué)中，偏振光技術(shù)已開(kāi)始作為CD（CompactDisk）、VD（VideoDisk）、LD（LaserDisk）等高密度信息載體的信息讀出及檢索手段。將信息以數(shù)字形式寫(xiě)入光盤(pán)的渦旋槽溝中，然后再利用電子計(jì)算機(jī)的ROM中的偏振光光學(xué)系統(tǒng)把它讀出來(lái)。信號(hào)的讀取機(jī)理如圖5所示。圖5偏振光光路系統(tǒng)（3）LCD液晶顯示器用偏光玻璃LCD技術(shù)是把液晶灌入兩片偏光玻璃之間。夾住液晶的兩片偏光玻璃分別為a、b，他們的偏振方向會(huì)設(shè)置為90°夾角。光線通過(guò)第一片偏光玻璃a后，假設(shè)X方向偏振，通過(guò)液晶后，液晶通電流之后，在電場(chǎng)極化作用下，呈規(guī)則排列，X偏振光不會(huì)有任何改變，投射到b玻璃上。而b玻璃的偏振方向?yàn)閅，就是X＋90°，X偏振的光線無(wú)法通過(guò)，在b玻璃外面看上去就是黑色了。而如果液晶沒(méi)有電場(chǎng)作用，就是沒(méi)有通電流，通過(guò)無(wú)規(guī)則排列的液晶，X偏振光的偏振方向會(huì)發(fā)生改變，旋轉(zhuǎn)90°，旋轉(zhuǎn)后X偏振光的偏振方向剛好和b偏光玻璃的偏振方向一樣，就是X＋90°＝Y(jié)，光線就能通過(guò)b玻璃了。LCD液晶顯示器原理示意圖見(jiàn)圖6。圖6LCD液晶顯示器原理示意圖5結(jié)語(yǔ)由于偏光玻璃具有突出的光學(xué)性能，在許多領(lǐng)域特別是光通訊領(lǐng)域得到了極為重要的應(yīng)用，美國(guó)的CorningGlassWorks，EstamanKodakCompany以及日本的京都大學(xué)化學(xué)研究所等，都投入了大量的人力、物力和財(cái)力進(jìn)行偏光玻璃的研究開(kāi)發(fā)，并取得了一系列豐碩的成果。目前，少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)研制出透光率大于90%，消光比達(dá)40dB的偏光玻璃片，可用于波段為400~1800nm的可見(jiàn)及近紅外光譜范圍；并具有了開(kāi)發(fā)消光比達(dá)50dB以