特种功能玻璃-偏光玻璃

0引言偏光玻璃作为一种重要的光学功能玻璃，除了具有普通二向色性偏光片所具有的工作波段宽、入射角大等特点，还显示出远远高于现广泛应用的“Ｈ”型和“Ｋ”型偏光片的光损伤阈值和高机械强度等特性。此外，偏光玻璃比塑料或线栅偏光片具有更好的化学稳定性和耐热性能，偏光玻璃可适用的温度范围很宽，在400℃高温下连续工作而偏光性能保持不变，可用于多种恶劣的环境。偏光玻璃具有优良的抗湿性能，且可切割，有利于器件的小型化等。基于此，偏光玻璃现已成为光隔离器、光纤偏振器、光开关、滤光器等一系列光纤通讯器件生产用的首选材料。1偏光玻璃的偏光机理偏光玻璃之所以能够产生偏光效应，归因于玻璃基体中的金属纳米粒子（Ag\Cu\Au）与光波电矢量之间的相互作用，产生了金属粒子中大量的自由电子的集体共振吸收。当入射光波的电矢量方向与针状金属粒子长轴方向相平行时，这部分入射光将被金属粒子内部的自由电子振荡所吸收，将光能转化为热能；而入射光波的电矢量方向与针状金属粒子长轴方向相垂直时，这部分光将透过，最终入射的自然光通过偏光玻璃后将转变成线性偏振光，具体原理示意图如图1所示。图1偏光玻璃起偏机理示意图2偏光玻璃的制备方法偏光玻璃产生光偏振是基于金属纳米粒子表面产生的等离子体共振吸收，偏光玻璃的制备关键是针状纳米金属粒子的生成和其定向排布。国内外围绕着偏光玻璃制备已经进行了大量研究，有以下几种主要制备方法：（1）将玻璃中的银离子还原成单质银，再在高温下强制拉伸玻璃，以使微纳米级的单质银颗粒被拉长，并沿玻璃拉伸方向进行排列，制得偏光玻璃。由于单质银的表面张力很大，拉伸作业很困难，很容易造成玻璃断裂。（2）将光致变色玻璃片析晶处理，生成卤化银微纳米晶体，而后在退火点与软化点之间的温度下拉伸玻璃，把微纳米级的卤化银颗粒拉伸成棒状并沿玻璃拉伸方向排列。再通过光致变色反应，生成棒状的银纳米颗粒。但该法在玻璃加热拉伸过程中，由于光致变色性能对热处理敏感，经常产生混浊和褪色等问题。（3）拉伸还原制备工艺。该法是第二种方法的进一步完善和发展，在玻璃拉制成型以后，不用光致变色反应，而是将之在强还原气氛中加热还原，使玻璃表面的微纳米级的卤化银颗粒被还原成单质银纳米颗粒，形成棒状银纳米颗粒，从而产生偏光性。这种方法是现今最为广泛研究和使用的方法，工艺示意如图2所示。图2玻璃拉伸工艺示意图3偏光性能测试偏振光透射率和消光比是反映偏光性能的两个主要参数。其中，消光比表征了偏光玻璃的消光效率。对于偏光玻璃偏光性能较为精确的测量，可以采用双镜测试方法，它是利用平行光系统对两只待测偏光玻璃同时进行测量，从测量结果推算出偏光玻璃的主透射率和消光比。测量系统如图3所示。由光源S发出的单色光经透镜L1准直后相继通过两只待测偏光玻璃片P1和P2，再由聚光透镜L2把出射光聚在光电探测器D上。设两只待测偏振片在主透射方向和主消光方向上的透射比分别为T1和T2，I0是入射到待测偏光玻璃片上的光强。图3双镜测试法光路图4偏光玻璃的应用偏光玻璃具有非常优异的近红外光学性能，在光隔离器、光存储、光传感、光开关及其它光偏器件领域中获得了广泛的应用。（1）光隔离器光隔离器是一种非可逆性元件，其作用是允许光在一个方向上低耗通过，而对于反向传播的光呈现出高损耗，阻止其通过。光隔离器通常是利用磁光效应（法拉第效应）进行工作的（图4）。图4法拉第旋转隔离器（2）偏振光束分离器在工程学中，偏振光技术已开始作为CD（CompactDisk）、VD（VideoDisk）、LD（LaserDisk）等高密度信息载体的信息读出及检索手段。将信息以数字形式写入光盘的涡旋槽沟中，然后再利用电子计算机的ROM中的偏振光光学系统把它读出来。信号的读取机理如图5所示。图5偏振光光路系统（3）LCD液晶显示器用偏光玻璃LCD技术是把液晶灌入两片偏光玻璃之间。夹住液晶的两片偏光玻璃分别为a、b，他们的偏振方向会设置为90°夹角。光线通过第一片偏光玻璃a后，假设X方向偏振，通过液晶后，液晶通电流之后，在电场极化作用下，呈规则排列，X偏振光不会有任何改变，投射到b玻璃上。而b玻璃的偏振方向为Y，就是X＋90°，X偏振的光线无法通过，在b玻璃外面看上去就是黑色了。而如果液晶没有电场作用，就是没有通电流，通过无规则排列的液晶，X偏振光的偏振方向会发生改变，旋转90°，旋转后X偏振光的偏振方向刚好和b偏光玻璃的偏振方向一样，就是X＋90°＝Y，光线就能通过b玻璃了。LCD液晶显示器原理示意图见图6。图6LCD液晶显示器原理示意图5结语由于偏光玻璃具有突出的光学性能，在许多领域特别是光通讯领域得到了极为重要的应用，美国的CorningGlassWorks，EstamanKodakCompany以及日本的京都大学化学研究所等，都投入了大量的人力、物力和财力进行偏光玻璃的研究开发，并取得了一系列丰硕的成果。目前，少数发达国家已经研制出透光率大于90%，消光比达40dB的偏光玻璃片，可用于波段为400~1800nm的可见及近红外光谱范围；并具有了开发消光比达50dB以