含銀偏振玻璃的製備方法

2023-10-25 09:56:22 1

專利名稱：含銀偏振玻璃的製備方法
技術領域：
本發明屬於光纖通信和光電顯示領域，特別涉及到光學偏振玻璃的製備技術。
背景技術：
光學玻璃需求的增加促進了人們對新型光學功能玻璃的開發，使得半導體 摻雜玻璃、稀土摻雜玻璃和金屬粒子摻雜玻璃大量出現。以前金屬粒子摻雜玻璃多用於產生特殊色光的吸收，1968年S.D. Stookey和R丄Araujo發現了含有 幾何形狀不對稱銀粒子的玻璃具有二向色性，從此人們開始了光學偏振玻璃的 研究和開發。S.D. Stookey等人分析玻璃中金屬粒子行為時將其視為電子氣，而 且它的平均自由程比大塊金屬晶體時的短。Kelly Jones和Mark Taylor等人把金 屬粒子的偏振行為歸因於金屬中傳導電子的振蕩吸收，即電子等離子振蕩機制。 當金屬粒子呈細長棒狀時，平行於金屬粒子長度方向振動的光子被金屬粒子的 電子等離子振蕩吸收，將光能轉化為熱能；而垂直於金屬粒子長度方向振動的 光子無阻礙地通過，產生了光波的偏振。與此結構和原理相類似的偏振片有金 屬細絲光柵偏振片。當前一般生產光學偏振玻璃的工藝流程為1.玻璃的熔融將玻璃原料和滷 化銀混合升溫至熔融狀態，並將它們均勻化和純化後冷卻成型。在這一過程中， 玻璃的純度和銀粒子分布的均勻性是偏振片性能的關鍵因素。2.熱處理熱處理 的作用是消除玻璃成型過程中的應力，並使滷化銀粒子聚集長大，有利於提高 偏振片的性能。在這一階段，光學偏振玻璃中將出現尺寸為20 500nm的滷化 銀粒子。3.延伸這是最終形成不對稱形狀銀粒子均勻定向排布的關鍵步驟。目前所用的延伸工藝多為熱軋，熱處理後在玻璃的軟化點(約663。C)和徐冷點(約 495'C)之間保溫進行軋制，使滷化銀粒子呈棒狀，長徑比為2 : 1 5 : 1，沿延 伸方向排列。4.研削研磨加工延伸的板厚設計為研削研磨加工留有餘量，研削研磨是達到規定尺寸的主要方法。目前生產的光學偏振玻璃有0.5mm和10mm 兩種厚度，而先進的技術可以製造0.2mm厚的偏振片。5.還原燒成研削研磨 後，在氫氣氣氛中，在250 495。C進行還原燒成。此過程主要是為了將滷化銀 粒子還原成銀粒子， 一般是將板的兩面表面層5(^m範圍內的滷化銀粒子還原。 另外該過程還可以去除延伸過程的應力，使偏振片的性能更穩定。1980年，康 寧公司將熱延伸過程改進為擠壓過程，但無具體的文獻說明。1982年，LentzW. P.等以及1997年BergK. J.等利用拉伸玻璃平板的方法得到了偏振玻璃。中國武 漢工業大學和武漢郵電科學院合作將玻璃塊置於拉伸爐中， 一端固定另一端加 拉力，製成了有一定偏振作用的玻璃片。以上的方法中，拉伸過程中的拉力和 玻璃或加熱區的移動速度都需要精確的控制。對比軋制、擠壓和拉伸三種方法，軋制和擠壓過程中要解決玻璃的黏膜問題， 而且設備較為複雜；同時還需控制溫度分布，以使變形區處於最高溫度範圍， 甚至要外加冷卻系統，使剛變形的部分迅速冷卻，以保證被拉長的粒子不發生 回復。拉伸方法雖然不需要考慮黏膜和控溫問題，但要控制拉力、速度和加熱 區溫度。玻璃的抗拉能力有限，特別對溫度比較敏感，所以拉力、速度和加熱 區溫度的配合非常重要。即是如此，所施加的拉力也要有一定的限制，而且拉 伸過程中的斷裂也時有發生，因此所得的偏振玻璃性能較軋制和擠壓要差。一 般而言，拉伸法都需要經過多次拉伸，這就帶來了另外的困難， 一是多次升溫 會影響粒子的大小和分布，增加了控制的難度。二是多次拉伸過程中玻璃的形 狀很難控制。由於現有的光學偏振玻璃中分布的是長粒狀的銀粒子，雖然粒子的大致取 向一致，但由於製造工藝決定的粒子的分布卻是無序的。這種結構的光學偏振 玻璃不可避免的會存在銀粒子分布均勻性，粒子的長徑比不一至以及單個粒子 的粗細(短軸徑)不同等問題。這就需要製備過程中的複雜的控制手段，導致 工藝過程的可控性較差，成品率低等問題。而且不同批次的產品光學特性差異 較大，對大批量工業生產造成了困難，使得生產成本較高。儘管當前的光學偏振玻璃雖然可以達到較高的消光比和透過率，但若想進一步提高其性能參數就 變得非常困難。從工藝上講，光學偏振玻璃的生產還沿襲著傳統的玻璃製造工 藝一熔融後成型，磨削加工，玻璃的純度和均勻性控制業已接近了極限，而且 製造成本很高。從性能上講，光學偏振玻璃的消光比有待於進一步的提高，以適應光纖通訊領域的應用；現有光學偏振玻璃的透過率、耐熱穩定性和光損傷閥值有待於進一步提高。因此目前急需光學偏振玻璃的設計及製造工藝創新性的思路和解決方法。發明內容本發明的目的是提供一種含銀偏振玻璃的製備方法，其中，偏振效應由銀粒子帶提供；銀粒子帶由光刻和噴塗完成。本發明提出的一種含銀偏振玻璃的製備方法，該方法涉及光刻系統和噴塗 系統。光刻系統的具體連接方式為掃描反射鏡按45度角固定在掃描平臺上，刻 蝕光源輸出按45度角對準掃描反射鏡，相位掩模板按135度角對準掃描反射鏡， 使刻蝕光源、掃頻反射鏡和均勻相位掩模板呈90度直角分布，均勻相位掩模板 後為支架。噴塗系統的具體連接方式為工作氣體輸出分別接原料混合室和預加熱裝 置，原料混合室的輸出口接噴槍的原料輸入口，預加熱裝置的輸出口接噴槍的 工作氣體輸入口，噴槍的輸出接超音速噴管的輸入端。含銀偏振玻璃的製備方法，包括以下步驟步驟l， SiCL和02按摩爾比1: l放入原料混合室內，SiCl4的粒子直徑《 40um，將玻璃片放置距離超音速噴管的出口 5 25mm處；步驟2,打開工作氣體He，氣體壓力為1.5 3. 5MPa， He氣分為兩路，其 中一路進入原料混合室內，將混合的SiCl4和02送入噴槍；另外一路經預加熱裝 置預熱，預熱溫度為100 600°C，驅動噴槍工作，噴槍噴出的02和SiCl4粒子， 經超音速噴管並以500 1000m/s噴出，將反應生成的Si02澱積在玻璃片上，當澱積的Si02的厚度達到5mm時停止噴塗；步驟3，利用切片機切下澱積得到的Si02材料，然後利用研磨機將Si02材料拋光，得到Si02玻璃片；步驟4，將Si02玻璃片固定在支架上，掃描反射鏡以45度斜角固定在掃描 平臺上，採用連續發光雷射器作為刻蝕光源，輸出的雷射以45度入射掃描反射 鏡，反射後的雷射通過均勻相位掩模板，打到步驟3得到的Si02玻璃片上，移 動掃描平臺，平臺移動精度為lOOnm,完成光刻過程，光刻凹槽的寬度及間隔由 均勻相位掩模板決定；步驟5，將經過步驟4得到的Si02玻璃片放置距離超音速噴管的出口 5 25mm處，將滷化銀粉末放入原料混合室內，打開工作氣體He，氣體壓力為1. 5 3.5MPa， He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室內，將滷化銀送入噴槍；另 外一路經預加熱裝置預熱，預熱溫度為100 60CTC，驅動噴槍工作，噴槍噴出 的滷化銀粉末，經超音速噴管並以500 1000m/s噴出，將滷化銀填充在步驟4 得到的Si02玻璃片的凹槽內，得到含滷化銀的Si02玻璃片；步驟6，重複步驟1和步驟2，在由步驟5得到的滷化銀填充後Si02玻璃片 上噴塗Si02，當表面沉積Si02的厚度達到lmm時停止噴塗；步驟7，再次利用研磨機將步驟6得到的整個Si02玻璃片拋光，得到含銀偏 振玻璃。本發明的有益效果具體如下 按照本發明所述的方法，製備含銀偏振玻璃時，具有很大的靈活性。只須 改變均勻相位掩模板，而不須對其它工藝作任何改動，就可以得到所需的不同 中心波長的偏振玻璃。由於使用高純度的Si02玻璃基片和高純度的Si02覆蓋層， 只要注意在製備過程中，不人為地引入其它雜質，則用這種方法製作的偏振玻 璃的損耗很小，所以其透過率很高，即保證了該偏振器件具有低的插入損耗， 降低使用時的器件發熱量和功耗。與其它光學偏振玻璃的製備方法相比，該方 法具有很高的可重複性，適合大批量的生產。比現有的方法製作偏振玻璃具有更好的偏振性能，更低的損耗，更好的性價比，可以大批量生產。可以生產超 大面積的光學偏振玻璃，在大屏幕顯示有重要的應用。另外，本發明包含的偏振玻璃具有耐高溫、耐化學腐蝕和耐溼性的特點， 這使其成為在惡劣環境下工作的首選器件。例如汽車製造業中進行光學檢驗用 的傳感和測量系統，它所要求的偏振玻璃的環境適應能力是光學偏振玻璃的可 應用領域。本發明包含的偏振玻璃所具有的優異的光學性能、良好的穩定性和 可加工性，使其獲得巨大的潛在的商業價值，它的推廣將產生巨大的社會效益 和可觀的經濟效益。


圖1光刻系統。圖2噴塗系統。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明作進一步描述。一種含銀偏振玻璃的製備方法，該方法涉及光刻系統和噴塗系統，結構如 圖l和2所示光刻系統的具體連接方式為:掃描反射鏡3按45度角固定在掃描平臺5上， 刻蝕光源4光輸出按45度角對準掃描反射鏡，均勻相位掩模板2按135度角對 準掃描反射鏡，使刻蝕光源、掃頻反射鏡和均勻相位掩模板呈90度直角分布， 均勻相位掩模板後為支架l。噴塗系統的具體連接方式為工作氣體He的輸出分別接材料混合室6和預 加熱裝置9，材料混合室的輸出口接噴槍7的材料輸入口，預加熱裝置的輸出口 接噴槍的工作氣體輸入口，噴槍的輸出接超音速噴管8的輸入端。實施例一含銀偏振玻璃的製備方法，包括以下步驟步驟l, SiCl4和02按摩爾比1: l放入原料混合室6內，SiCL的粒子直徑 為40um，將玻璃片放置距離超音速噴管8的出口 18mm處；步驟2，打開工作氣體He，氣體壓力為3MPa， He氣分為兩路，其中一路進 入原料混合室6內，將混合的SiCL和02送入噴槍7;另外一路經預加熱裝置9 預熱，預熱溫度為10(TC，驅動噴槍7工作，噴槍噴出的02和SiCl4粒子，經超 音速噴管8並以800m/s噴出，將反應生成的Si02澱積在玻璃片上，當澱積的Si02 的厚度達到5mm時停止噴塗；步驟3,利用切片機切下澱積得到的Si02材料，然後利用研磨機將Si02材 料拋光，得到Si02玻璃片；步驟4，將Si02玻璃片固定在支架l上，掃描反射鏡3以45度斜角固定在 掃描平臺5上，採用連續的244倍頻氬離子光雷射器作為刻蝕光源4，輸出的激 光以45度入射掃描反射鏡3，反射後的雷射通過均勻相位掩模板2，打到步驟3 得到的Si02玻璃片上，移動掃描平臺5，平臺移動精度為100nm，完成光刻過程， 光刻凹槽的寬度及間隔由均勻相位掩模板2決定；步驟5，將經過步驟4得到的Si02玻璃片放置距離超音速噴管8的出口 5mm 處，將氯化銀粉末放入原料混合室6內，打開工作氣體He，氣體壓力為2.2MPa, He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室6內，將氯化銀送入噴槍7;另外一 路經預加熱裝置9預熱，預熱溫度為40(TC，驅動噴槍7工作，噴槍噴出的氯化 銀粉末，經超音速噴管8並以500m/s噴出，將氯化銀填充在步驟4得到的Si02 玻璃片的凹槽內，得到含氯化銀的Si02玻璃片；步驟6，重複步驟1和步驟2，在由步驟5得到的氯化銀填充後Si02玻璃片 上噴塗Si02，當表面沉積的Si02的厚度達到lmm時停止噴塗；步驟7，再次利用研磨機將步驟6得到的整個Si02玻璃片拋光，得到含銀偏振玻璃。實施例二含銀偏振玻璃的製備方法，包括以下步驟步驟1， SiCL和02按摩爾比1: 1放入原料混合室6內，SiCl4的粒子直徑 為35um,將玻璃片放置距離超音速噴管8的出口 22mm處；步驟2，打開工作氣體He，氣體壓力為1.5MPa， He氣分為兩路，其中一路 進入原料混合室6內，將混合的SiCl4和02送入噴槍7;另外一路經預加熱裝置 9預熱，預熱溫度為IO(TC，驅動噴槍7工作，噴槍噴出的02和SiCh粒子，經 超音速噴管8並以500m/s噴出，將反應生成的Si02澱積在玻璃片上，當澱積的 Si02的厚度達到5mm時停止噴塗；步驟3，利用切片機切下澱積得到的Si02材料，然後利用研磨機將Si02材 料拋光，得到Si02玻璃片；步驟4，將Si02玻璃片固定在支架1上，掃描反射鏡3以45度斜角固定在 掃描平臺5上，採用連續的244倍頻氬離子光雷射器作為刻蝕光源4，輸出的激 光以45度入射掃描反射鏡3，反射後的雷射通過均勻相位掩模板2，打到步驟3 得到的Si02玻璃片上，移動掃描平臺5，平臺移動精度為100nm，完成光刻過程， 光刻凹槽的寬度及間隔由均勻相位掩模板2決定；步驟5，將經過步驟4得到的Si02玻璃片放置距離超音速噴管8的出口 12mm 處，將氟化銀粉末放入原料混合室6內，打開工作氣體He，氣體壓力為3.5MPa， He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室6內，將滷化銀送入噴槍7;另外一 路經預加熱裝置9預熱，預熱溫度為60(TC，驅動噴槍7工作，噴槍噴出的氟化 銀粉末，經超音速噴管8並以1000m/s噴出，將氟化銀填充在澱積在步驟4得 到的Si02玻璃片的凹槽內，得到含氟化銀的Si02玻璃片；步驟6，重複步驟1和步驟2，在由步驟5得到的氟化銀填充後Si02玻璃片 上噴塗Si02，當表面沉積的Si02的厚度達到Iran時停止噴塗；步驟7，再次利用研磨機將步驟6得到的整個Si02玻璃片拋光，得到含銀偏 振玻璃。實示例三，含銀偏振玻璃的製備方法，包括以下步驟 步驟l， SiCh和02按摩爾比1: l放入原料混合室6內，SiCL的粒子直徑 為30um，將玻璃片放置距離超音速噴管8的出口 25mm處；步驟2，打開工作氣體He，氣體壓力為2.5MPa， He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室6內，將混合的SiCh和02送入噴槍7;另外一路經預加熱裝置 9預熱，預熱溫度為50(TC，驅動噴槍7工作，噴槍噴出的02和SiCh粒子，經 超音速噴管8並以800m/s噴出，將反應生成的Si02澱積在玻璃片上，當澱積的 Si02的厚度達到5mm時停止噴塗；步驟3，利用切片機切下澱積得到的Si02材料，然後利用研磨機將Si02材料拋光，得到Si02玻璃片；步驟4，將Si02玻璃片固定在支架l上，掃描反射鏡3以45度斜角固定在 掃描平臺5上，採用連續的244倍頻氬離子光雷射器作為刻蝕光源4，輸出的激 光以45度入射掃描反射鏡3，反射後的雷射通過均勻相位掩模板2，打到步驟3 得到的Si02玻璃片上，移動掃描平臺5，平臺移動精度為100nm，完成光刻過程， 光刻凹槽的寬度及間隔由均勻相位掩模板2決定；步驟5，將經過步驟4得到的Si02玻璃片放置距離超音速噴管8的出口 16mra 處，將碘化銀粉末放入原料混合室6內，打開工作氣體He，氣體壓力為2.8MPa， He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室6內，將碘化銀送入噴槍7;另外一 路經預加熱裝置9預熱，預熱溫度為45(TC，驅動噴槍7工作，噴槍噴出的碘化 銀粉末，經超音速噴管8並以750m/s噴出，將碘化銀填充在澱積在步驟4得到 的Si02玻璃片的凹槽內，得到含碘化銀的Si02玻璃片；步驟6，重複步驟1和步驟2，在由步驟5得到的碘化銀填充後Si02玻璃片 上噴塗Si02，當表面沉積的Si02的厚度達到lmm時停止噴塗；步驟7，再次利用研磨機將步驟6得到的整個Si02玻璃片拋光，得到含銀偏 振玻璃。
權利要求
1. 一種含銀偏振玻璃的製備方法，其特徵在於該製備方法的步驟步驟1，SiCl4和O2按摩爾比1∶1放入原料混合室(6)內，SiCl4的粒子直徑≤40μm，將玻璃片放置距離超音速噴管(8)的出口5～25mm處；步驟2，打開工作氣體He，氣體壓力為1.5～3.5MPa，He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室(6)內，將混合的SiCl4和O2送入噴槍(7)；另外一路經預加熱裝置(9)預熱，預熱溫度為100～600℃，驅動噴槍(7)工作，噴槍噴出的O2和SiCl4粒子，經超音速噴管(8)並以500～1000m/s噴出，將反應生成的SiO2澱積在玻璃片上，當澱積的SiO2的厚度達到5mm時停止噴塗；步驟3，利用切片機切下澱積得到的SiO2材料，然後利用研磨機將SiO2材料拋光，得到SiO2玻璃片；步驟4，將SiO2玻璃片固定在支架(1)上，掃描反射鏡(3)以45度斜角固定在掃描平臺(5)上，採用連續發光雷射器作為刻蝕光源(4)，輸出的雷射以45度入射掃描反射鏡(3)，反射後的雷射通過均勻相位掩模板(2)，打到步驟3得到的SiO2玻璃片上，移動掃描平臺(5)，平臺移動精度為100nm，完成光刻過程，光刻凹槽的寬度及間隔由均勻相位掩模板(2)決定；步驟5，將經過步驟4得到的SiO2玻璃片放置距離超音速噴管(8)的出口5～25mm處，將滷化銀粉末放入原料混合室(6)內，打開工作氣體He，氣體壓力為1.5～3.5MPa，He氣分為兩路，其中一路進入原料混合室(6)內，將滷化銀送入噴槍(7)；另外一路經預加熱裝置(9)預熱，預熱溫度為100～600℃，驅動噴槍(7)工作，噴槍噴出的滷化銀粉末，經超音速噴管(8)並以500～1000m/s噴出，將滷化銀填充在步驟4得到的SiO2玻璃片的凹槽內，得到含滷化銀的SiO2玻璃片；步驟6，重複步驟1和步驟2，在由步驟5得到的滷化銀填充後SiO2玻璃片上噴塗SiO2，當表面沉積的SiO2的厚度達到1mm時停止噴塗；步驟7，再次利用研磨機將步驟6得到的整個SiO2玻璃片拋光，得到含銀偏振玻璃。
全文摘要
一種含銀偏振玻璃的製備方法，屬於光纖通信、光電顯示領域。在製備含銀偏振玻璃時，首先，在玻璃片上噴塗一層SiO2，經切割研磨後，通過光學模和光刻使其表面出現微槽。光刻凹槽的寬度及間隔由均勻相位掩模板決定，然後，對微槽進行噴塗附著滷化銀，最後，利用等離子技術製作一層SiO2玻璃材料，將微槽覆蓋，再次研磨得到含銀偏振玻璃。本發明不同於以往常見的溶膠-凝膠含銀偏振玻璃的製作方法，工藝流程容易控制，產品的工作性能穩定，生產周期較短，而且採用研磨拋光、刻槽以及銀粒子噴塗附著技術，不僅實現簡便，更能達到比較高的幾何精度。總體而言，本發明簡單實用，易於實現，具有較強的可重複性和靈活性。
文檔編號C03C17/02GK101544463SQ20091008188
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月15日 優先權日2009年4月15日
發明者寧提綱, 延鳳平, 帆 張, 晶 李, 王春燦, 偉 簡, 麗 裴 申請人:北京交通大學