有关偏振片的设计与应用

1、（华东）china university of petroleum物理演示实验结课论文题目：有关偏振光的设计与应用学生姓名：梁绍祥学 号：12095208专业班级：材料物理12022013年12月5日有关偏振光的设计与应用梁绍祥（中国石油大学（华东）理学院，山东 青岛266580 ）摘要:光与我们的生活密不可分，是自然界的能源z源。光波的木质是电磁波，偏振是光的重要性 质之一，很多重耍的光学现象都与光的偏振有关。在1808年，马吕斯在实验中发现了偏振光，从那以后, 人类发明了偏振片，并且利用它的待点做成了各种光学的精密仪器，为科学的研究带來了一种手段。因此， 研究和利用好偏振光对生产生活的提高

2、改善冇很人作用。关键词：偏振光；物理原理；应用领域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振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区別于其他纵波的-个最明显的 标志，只冇横波才冇偏振现象。光波是电磁波，因此，光波的传播方向就是电磁波的传播方 向。光波中的电振动矢量e和磁振动矢量h都与传播速度v垂直，因此光波是横波，它具有 偏振性，具有偏振性的光则称为偏振光.通过反射、多次折

5、射、双折射和选择性吸收的方法可以获得平面偏振光除此之外，人 工方法制成的薄膜偏振片（用特殊方法使选择性吸收很强的微粒品体在透明胶层中作有 规则排列而制成，允许透过某一电矢虽振动方向的光（此方向称为偏振化方向），而吸收与 其垂直振动的光，即具有二向色性），自然光通过偏振片后，透射光基本上成为平而偏振光。生活中，偏振片广泛应用于汽车车灯，立体电影，摄像机镜头，led液晶屏等等，甚至 在牛物生理机能和医疗上也有了广泛应用与发展。1偏振光的性能表征偏振片性能从外观和光学性能等儿个方而考察,外观主要是指偏振片的表而状况和 颜色，常见的颜色有灰色、浅蓝灰色和中灰色。为了满足人们个性化的需求，偏振片止向 彩

6、色方向发展，如红色、绿色、蓝色、紫色等。光学特性包括二向色性比r、有序度s、 透过率tsp和偏振度p等偏振性能丿ij偏振度和二向色性比來表示，偏振度称为偏振膜的 偏振效率。其定义为：z#+ z 丄或者式屮r、t丄分别表示两偏振片组合时光轴平行和垂直时的透过率。当卩丄二0时，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)透过率 tsp=（t t x）（5）消光比:两片平行放置的偏振片相互转动时,最小透过光强i min和最人透过光强imax z比， 即h二i min/ imax。偏振膜的透过率和透过光强用紫外2可见光分光光度计来测量。

7、消光 比越小，偏振片的质量越好,碘素偏振片的消光比一般为103。其他的性能指标如色度、 有效厚度等，色相为偏振膜颜色所对应的色度指标，有效厚度为整个偏振膜的厚度，包括基片、 黏胶和保护膜的厚度。2偏振光的产生方式（如前言中所说）利用偏振片产牛:的方式主要有:反射和折射、双折射、散射、二向色 性物质吸收、金属丝光栅（或金属薄膜）。不同种类偏振片具有其口身的特点，不同的场 合下可获得授好的应用效果，如金属类型的偏振片可川于温度较高的场合，散射型偏振 片用于要求真实反映h然光颜色的仪器上，而反射、双折射型则较多应用于棱镜等偏振 仪器。3.偏正片的类型3. 1 反.射偏振片当一束自然光以e b入射到玻

8、璃表面，与折射角9 t满足布儒斯特定律，即e b + e t = 90 ° , 反射光为全偏振光;随着玻璃层数的增加，折射光的偏振度越來越高。该类偏振片只能应川在 i些特殊的仪器设备上，光源入射角受到严格限制，不适合平板显示。利用晶体的双折射现象 可以产生偏振光,如常用的尼科耳棱镜。胆馆型液品也可作为宽波段反射式偏振片，这是一种 在螺旋状胆馆型液品中引入距梯度，可见光经其反射后得到圆偏振光，再通过1/ 4波片后转 变为直线偏振，对直接用于液晶显示屏。3. 2二向色性偏振片物质对两种振动方向互相垂直的偏振光的选择性吸收特性称为二向色性，典型晶体冇电气石 (tourmaline)和碘硫酸

9、金鸡钠(herapathite)。一块1 mm厚的电气石几乎可以将0光全 部吸收，而e光的吸收随着波长的不同而差别很大，单晶电气石可以切割成偏振片。3. 3 散射型偏振片当光通过偏振物质时，物质中的电了在光波电磁场的作用下发生受迫振动，成为次波源，当微 粒的大小为透过光波长的1/ 5时,散射光的一部分为偏振光。利用光的强烈散射或全反射 原理町制造无色散射型偏振片，它对可见光波段光的透过率较高，特别适用于一些要求真实反映自然光的偏振仪器。在两块zk3平玻璃片中抽真空 并充入硝酸钠,zk3平玻璃片折射率n = 1. 589 1，硝酸钠0光的折射率no = 1. 588 4 , e光折射率ne =

10、1. 336 9，两者差别较大，e光几乎全部被反射或散射，无法从品体中射 ill,故得到线性偏振光。聚合物中加入芯壳由不同材料组成的粒了，分散并经热挤压成膜，再 拉伸取向，使基体的折射指数和分散相粒了的0或e光的折射系数(仅其屮之一)相配，而 与另一折射系数失配，町获得线性偏振光。如在聚乙烯对苯二酸盐屮加入橡胶态芯売粒子(直 径200 nm，芯:苯乙烯2 丁乙烯，壳:pmma ,折射指数1. 530),拉伸比为4、5时，乙烯对 苯二酸盐的0光折射指数逐渐下降到1. 53 , e光折射指数上升为1. 68 ,因而e光被颗 粒散射，这种偏振片的适用波长范围受掺杂粒子大小的影响，耐湿热性能比碘素偏振

11、片好得 多。以液晶分子作为分散相粒子，基体为聚乙烯醇，经拉伸取向也可制得散射型偏振片。聚合 物单体与向列相液晶以不同浓度配比可制成电光特性的散射型偏振片。3. 4金属丝光栅最简单的偏振器件是平行导线栅，和导线方向平行的电场分量与导线和碰撞，能量被吸收，而垂直方向的电场分量则顺利透过。线栅间距 要和可见光波长(400700 nm)接近，间距如此小的光栅制作较为困难，一种方式是真空蒸 发ag、au、pb、cu、al等，原子束儿乎以平行方向(入射角8 >80 ° )蒸镀到以硫化锌或 硒化锌为衬底的闪耀光栅上形成极细的金属导线或在衬底上形成一条条方向一-致短线，可 起到偏振片的作用；另

12、一种方式是用光刻11 的方法在沉积有金属薄膜的衬底上刻蚀出宽 度和町见光波长相当 的导线，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层光活性分子层和一层与所述层接触形成的二向色性分子层，不用 拉伸工序便可制造，可以制成具有复杂图像、弯illi农而或大面积的偏振片。其方法是用直线 偏振光照射基材上的光活性分了层，并对其电晕放电处理或紫外线辐照处理后形成二向色性 分子层，利用该分子层所貝有的光吸收各向异性，使透过光产生偏振，偏振度为67 %77 %, 但膜层机械性能较差，应用较少。另外述有其他类型的偏振片，如通过离子交换法在玻璃上沉 积440血 大小的球形银颗粒,经退火处理后，在

13、650 °c対玻璃以恒应力拉伸而使表面球形 粒了变形取向，椭球粒了的长轴和短轴方向对光具冇不同的吸收效应即二向色性，从而形成 偏振玻璃。层状偏振片（由透明层（如:si02）和吸收层（如ge、al等）交替排列而成）可 以对透过的白然光产住偏振，采用射频磁控溅射镀制错和不锈钢的混合物超薄薄膜作为吸收 层，対从可见光到红外光波段范围内都有高质量的偏振效应。4 典型偏振片的制作工艺偏振片的制作工艺分为基膜制备、拉伸、染色、膜片组合以及圧敏胶的合成等技术。制作方 法分为干法和湿法,t法是指pva膜在一定的温度和湿度下加以染色、单向拉伸的技术;湿 法是指偏振膜在一定量配比的溶液小进行染色、拉伸的

14、工艺。从20世纪90年代末起，日本 偏振片企业己经普遍采用湿法进行牛产，特别是tft2lcd产品的人幅度发展,使得湿法成为 偏振片最基木的生产工艺。目前，偏振片的所有附件均已实现专业化生产，典型的生产制造工 艺如下图所示。开卷膨胀槽染色槽拉伸槽固定椿水洗槽烘千炉收卷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,最佳为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。基膜除了常用的聚乙烯醇外，其他还有聚乙 烯、聚乙烯对苯二酸盐、聚丙烯酸、乙烯醇和乙烘的共聚物。加入耗乙基纤维素（1iec）或部 分脱水來提高pva耐久、耐湿热性能。4. 2 单

15、向拉伸用流延法或热挤压成型制成厚膜,单向拉伸至少3. 5倍以上才可保证偏振膜的性能,它是制 造偏振膜的关键工艺z-o拉仲过程中伴随着高分子链的取向，用力不均匀时，会出现膜厚波动太人，中间薄两边厚的现象，有时出现空洞或裂纹并扩展断裂而使薄 膜失效。拉伸比根据材料的性能而定，拉伸倍数太低，性能不能满足规定要求;拉伸倍数太高 时，膜厚相对误差难以控制几工艺趋于复杂。拉伸比越大，聚合物的密度、结晶性、双折射、 弹性模量和抗拉强度均明显增大23 ，基体分了的冇序性增加，将使偏振度增加，但断裂强 度下降，膜变薄，有使偏振度下降的趋势。所用的拉伸方法有抗张力拉伸、滚压拉伸、热板拉 伸等,其中滚压拉伸便于实现

16、流水线牛产11膜厚容易控制，可以用馄轮的表而光洁度和轴间 的缝隙来控制偏振膜表而质量。在拉伸的过程中或结束时热处理町以提高偏振膜的耐湿热性 能，拉伸时聚乙烯醇保持一定的温度，一般为成膜聚合物的玻璃化温度以下20 °c左右24。 4. 3 浸渍染色将碘和儆化钾溶解在蒸谓水屮，制成高价碘离了溶液，拉伸后薄膜浸衣这种溶液屮一 定时间， 碘和聚乙烯醇形成络合物后具有偏振效应。碘素偏振膜耐热性能较差,温度到100 °c很快褪 色,失去偏振性能，因而，浸碘后需稳定化处理，一般浸入硼酸和硼化物中进行交联稳定化处 理或采用h2o2氧化处理，也冇用川醛稳定处理。硼酸对pva基体冇酯化作用，在

17、用硼酸处理 的过程中，反应时间和温度是最敏感的,适当调整硼酸溶液的ph值可以增加发色团的稳定 性,ph值为57时，可以最大优化酯化反应,避免强碱聚碘发色团的褪色作用25 o硼酸 对基膜具有氧化作用，氧化时间对偏光膜的颜色、深度和均匀性影响较大，时间越长,基膜中 越多的1 -被氧化成12，颜色越深，偏振度的变化与碘的价态和聚集态有关，膜的颜色和染 色均匀性直接影响偏振度和透过率。彩色偏振片依赖丁染料分子和聚乙烯醇的相互作用所产 生的二向色性，利用染料对光的选择性吸收作用而使偏振膜显示出各种颜色。与碘索偏振片 相比,染料偏振片的偏振效率明显偏低，透过率、染色的均匀性等方而也没有浸碘的好，且价 格较

18、为昂贵，但耐高温、耐湿热性能、耐久性等方面耍好。所选择的染料应具有高的二向色 性、优良的耐湿热性能和染色性能。另一种方法是将拉伸的聚乙烯醇膜片在氯化氢气体中加 热,定型的聚乙烯醇膜片经脱水后稍微变黑，具有极强的二向色性,性能更加稳定，即使强光 照射也不易褪色。随着lcd产品使用范围的扩大，偏振片的耐湿热性能要求越來越高，如要求在100 和90 %rh条件下工作,碘素偏振片无能为力，开发 高耐久耐湿热性能的染料偏振片成为必然选择。4. 4 胶合保护膜聚乙烯醇或其共聚物本身的耐湿热性能较差,强度低几属于活性材料，易吸收空气中尘埃，在 湿热的环境中很快因变形、收缩、松弛、褪色，强度下降而失效,因而需

19、在偏振膜的表血贴上 或镀上一层保护膜。该膜具有-良好的透光性、耐湿热性能和尺寸稳定性,如三醋酸纤维素酯 (tac)、三酰纤维素丁酸酯(cab)、聚丙烯(polypropylene)和氨基甲基乙脂(urethane) 27等，其中tac比cab具有更好的耐湿和光学性能，应用较多。由于切割、运输过程中可 能划伤或玷污该保护膜,再加一层外保护膜，多为聚酯、聚丙烯酸脂、聚烯坯类等。用真空蒸 镀或离子溅射法在偏振膜的表而沉积一层氧化硅薄膜也对起到保护作用。偏振片内外保护膜 z间冇一层压敏胶。具冇良好的透明性和耐湿热性能，压敏胶的成分主要是丙烯酸系列。传 统的碘素偏振片无法满足多方面的使用要求，改性处理可提高其性能。增加染料的氧化性有- 利于提高偏振膜的耐湿热性能，如在碘液中加入氧化性较强的h202 ,制备了耐湿热性能较好 的偏振膜26 。将乙基纤维素(hec)和聚乙烯醇(pva)相混合，加入溶解有碘化金属盐 的溶液后流延成膜，经氧化、拉仲、干燥后得到柔韧性较好的偏振膜22