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，還顯示出遠遠高于現(xiàn)廣泛應(yīng)用的“Ｈ”型和“Ｋ”型偏光片的光損傷閾值和高機械強度等特性。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?，偏光玻璃現(xiàn)已成為光隔離器、光纖偏振器、光開關(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。當入射光波的電矢量方向與針狀金屬粒子長軸方向相平行時，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軸方向相垂直時，這部分光將透過，最終入射的自然光通過偏光玻璃后將轉(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。國內(nèi)外圍繞著偏光玻璃制備已經(jīng)進行了大量研究，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，再在高溫下強制拉伸玻璃，以使微納米級的單質(zhì)銀顆粒被拉長，并沿玻璃拉伸方向進行排列，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，而后在退火點與軟化點之間的溫度下拉伸玻璃，把微納米級的鹵化銀顆粒拉伸成棒狀并沿玻璃拉伸方向排列。再通過光致變色反應(yīng)，生成棒狀的銀納米顆粒。但該法在玻璃加熱拉伸過程中，由于光致變色性能對熱處理敏感，經(jīng)常產(chǎn)生混濁和褪色等問題。（3）拉伸還原制備工藝。該法是第二種方法的進一步完善和發(fā)展，在玻璃拉制成型以后，不用光致變色反應(yīng)，而是將之在強還原氣氛中加熱還原，使玻璃表面的微納米級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偏光性能測試偏振光透射率和消光比是反映偏光性能的兩個主要參數(shù)。其中，消光比表征了偏光玻璃的消光效率。對于偏光玻璃偏光性能較為精確的測量，可以采用雙鏡測試方法，它是利用平行光系統(tǒng)對兩只待測偏光玻璃同時進行測量，從測量結(jié)果推算出偏光玻璃的主透射率和消光比。測量系統(tǒng)如圖3所示。由光源S發(fā)出的單色光經(jīng)透鏡L1準直后相繼通過兩只待測偏光玻璃片P1和P2，再由聚光透鏡L2把出射光聚在光電探測器D上。設(shè)兩只待測偏振片在主透射方向和主消光方向上的透射比分別為T1和T2，I0是入射到待測偏光玻璃片上的光強。圖3雙鏡測試法光路圖4偏光玻璃的應(yīng)用偏光玻璃具有非常優(yōu)異的近紅外光學性能，在光隔離器、光存儲、光傳感、光開關(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方向上低耗通過，而對于反向傳播的光呈現(xiàn)出高損耗，阻止其通過。光隔離器通常是利用磁光效應(yīng)（法拉第效應(yīng)）進行工作的（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中，偏振光技術(shù)已開始作為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)字形式寫入光盤的渦旋槽溝中，然后再利用電子計算機的ROM中的偏振光光學系統(tǒng)把它讀出來。信號的讀取機理如圖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，他們的偏振方向會設(shè)置為90°夾角。光線通過第一片偏光玻璃a后，假設(shè)X方向偏振，通過液晶后，液晶通電流之后，在電場極化作用下，呈規(guī)則排列，X偏振光不會有任何改變，投射到b玻璃上。而b玻璃的偏振方向為Y，就是X＋90°，X偏振的光線無法通過，在b玻璃外面看上去就是黑色了。而如果液晶沒有電場作用，就是沒有通電流，通過無規(guī)則排列的液晶，X偏振光的偏振方向會發(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b玻璃了。LCD液晶顯示器原理示意圖見圖6。圖6LCD液晶顯示器原理示意圖5結(jié)語由于偏光玻璃具有突出的光學性能，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，美國的CorningGlassWorks，EstamanKodakCompany以及日本的京都大學化學研究所等，都投入了大量的人力、物力和財力進行偏光玻璃的研究開發(fā)，并取得了一系列豐碩的成果。目前，少數(shù)發(fā)達國家已經(jīng)研制出透光率大于90%，消光比達40dB的偏光玻璃片，可用于波段為400~1800nm的可見及近紅外光譜范圍；并具有了開發(fā)消光比達50dB以