特种功能玻璃—偏光玻璃

李博涵 冯晋阳

（武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室 武汉 430070）

0 引言

1968年，Stooky.S.D等［1］采 用 光 敏 玻 璃 成分，将银的金属化合物均匀分散在玻璃中，且添加少量的多价离子如锡、锑等还原成分，从而使银离子在冷却或热处理阶段被还原成金属银，并沉淀出小的球形银胶粒，再把整块玻璃在适当的温度下拉伸，使悬浮的金属颗粒被拉长，从而具有偏光性能。银粒子伸长率为1.5～3倍，响应波长500～600 nm。虽然其偏光效率很低，但它却引起了人们的极大兴趣。

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［2-4］。

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（AgCuAu）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。

由图1可见，当椭球状（或针状）的金属银颗粒均匀分布在透明的玻璃基体中，在光波电矢量场的作用下，银粒子中的自由电子沿着电场方向发生相对位移，形成电偶极矩，使银颗粒产生极化。由米氏理论可得，该玻璃介质中的金属银颗粒的光学吸收系数由式（1）决定：

式中：p——金属颗粒在材料中所占的体积分数；

L——金属颗粒的去极化因子；

ed——玻璃基体的介电常数；

l——入射光的波长；

e1——金属颗粒的介电常数实部；

e2——金属颗粒介电常数虚部。

其中，去极化因子L与金属颗粒几何形状有关：当金属微粒为球形时，L等于1/3；而当金属微粒为椭球形时，L不但与金属颗粒的长径比有关，而且与入射光的振动方向有关。如果入射光的振动方向与金属颗粒的长轴方向平行，该方向的去极化因子为：

如果入射光的振动方向与金属颗粒的长轴方向垂直，那么该方向的去极化因子为：

式中：m为金属颗粒的长径比，m＝c/a，c表示金属颗粒长轴的长度，a表示金属颗粒短轴的长度。用C++程序语言编制计算得到不同长径比银颗粒的吸收系数，结果见图2。

由图2可知，当入射光电矢量与银颗粒长轴平行时，将产生大的光吸收，且吸收峰随着银颗粒长径比的增加而红移。而在垂直状态时，银颗粒只有一个较弱的光吸收峰值位于350 nm左右，且不随颗粒长径比的变化而产生明显改变。

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［5-7］：

（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3所示。

图3 玻璃拉伸工艺示意图

由以上制备方法可以看出，为了生成针状金属银纳米棒并使其在玻璃中定向排布，迄今为止都采用玻璃的高温熔融与强制拉伸相结合的方法，由于玻璃拉伸过程本身的局限性，限制了所制备偏光玻璃的尺寸。同时，由于高温、高黏度、高张力等工况环境，增加了针状银纳米棒的可控合成与均匀定向分布实现的难度。

在探索改进偏光玻璃制备方法方面，C.G.Lin等［8］曾尝试光栅掩模技术进行了偏光玻璃的制备研究，该方法最主要的优点是利用光掩模板可以直接在玻璃基板中生成定向排布的银纳米簇微结构，从而避免了玻璃高温拉伸作业。同时，这种微结构也体现出了一定的偏光性能，但该法制备的金属银纳米簇微结构尺寸分散、簇间距也较大，因此玻璃的消光比很小，尚未达到产品级技术指标要求。

近几年，基于纳米技术领域的研究，J.Y.Feng等［9］根据有机聚合物与玻璃间的相似性，以聚合物取代玻璃作为体相材料，将合成出的银纳米棒高效分散在有机聚合物的基体溶液中，通过调节固化工艺，在室温下拉伸聚合物基体获得了银纳米棒定向排布的微结构。研究测试表明，所制备出的样品在红外光波段表现出明显的偏光特性。更进一步，采用聚合物分散液，开发出一种更为简单的提拉镀膜方法，在玻璃基板表面制备出具有定向排布特征的银纳米棒阵列薄膜，为偏光玻璃的制备提供了一个新思路［10］。

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4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。

测量步骤如下：

（1）P1， P2未放入测量系统时，光探测器D输出的光信号强度为I′：

式中，T//、T⊥分别为光学系统沿水平和垂直方向上的有效透射比。

（2）只放入一个被测偏振片P1，且其主透射方向为垂直时，D输出的光信号强度为I⊥：

（3）P1透射方向为平行时，D输出的光信号强度为I//。

（4）两只待测偏光片P1和 P2同时放入，且互为正交状态，D输出的光信号强度为I//,⊥。

由以上诸式可得：

于是可得待测偏光玻璃的消光比 r:

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5）。在平行于光束的磁场作用下，光束的偏振面将发生旋转，旋转角度j：

图5 法拉第旋转隔离器

该旋转角度与磁场有关，与传播方向无关。

由图5可以看出，由左边射入旋转器的光束，在偏光玻璃片P1的作用下，是偏振面为0°的线偏振光，由于法拉第旋转器的作用，偏振面顺时针旋转45°，与偏光玻璃片P2的透振方向一致，于是光信号以极小损耗通过偏光玻璃片P2。当该光束入射到光纤通路中，由此引起的反射光从右边通过偏光玻璃片P2，成为一束具有45°偏振面的线偏振光。在穿过法拉第旋转器后，偏振面也顺时针旋转45°，到达左边偏光玻璃片P1时，偏振面为90°，与P1的透振方向垂直，不能通过该偏光玻璃片，这样就起到了只允许光束单向传播的作用。

（2）偏振光束分离器

在工程学中，偏振光技术已开始作为CD（Compact Disk）、VD（Video Disk）、LD（Laser Disk）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6所示。

从半导体激光器SL发出的光束，由准直透镜L变为平行光束，通过衍射光栅G进入到偏振光束分离器BS而变为直线偏振光，再通过1/4波片Q变成圆偏振光，然后经物镜聚焦到盘的记录面上。如果入射光为右旋圆偏振光，那么从记录面反射的相反路径的光则成为左旋圆偏振光。此光再次通过1/4波片时，其偏振方向与照射的直线偏振光垂直，并在偏振光束分离器中改变路径，被反射到检测器OD而变换成电信号。实际上，在这里利用偏振光技术，消除了反馈回读出激光器的光信号，从而提高了读出通道的光学效率，否则，在读出通道中就会引起额外的激光器噪声。

（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7。

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Corning Glass Works，Estaman Kodak Company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40 dB的偏光玻璃片，可用于波段为400～1800 nm的可见及近红外光谱范围；并具有了开发消光比达50 dB以上的偏光玻璃的能力，可望在将来的相干光通讯中得到应用［12］。但是，该项技术只掌握在少数美日等外国公司的手上，我国的偏光玻璃材料完全依靠进口，偏光玻璃已成为我国光通信领域发展的“卡脖子”技术，迫切需要对该特种玻璃材料进行系统研究。