专利名称：含银偏振玻璃的制备方法
技术领域：
本发明属于光纤通信和光电显示领域，特别涉及到光学偏振玻璃的制备技术。
背景技术：
光学玻璃需求的增加促进了人们对新型光学功能玻璃的开发，使得半导体 掺杂玻璃、稀土掺杂玻璃和金属粒子掺杂玻璃大量出现。以前金属粒子掺杂玻璃多用于产生特殊色光的吸收，1968年S.D. Stookey和R丄Araujo发现了含有 几何形状不对称银粒子的玻璃具有二向色性，从此人们开始了光学偏振玻璃的 研究和开发。S.D. Stookey等人分析玻璃中金属粒子行为时将其视为电子气，而 且它的平均自由程比大块金属晶体时的短。Kelly Jones和Mark Taylor等人把金 属粒子的偏振行为归因于金属中传导电子的振荡吸收，即电子等离子振荡机制。 当金属粒子呈细长棒状时，平行于金属粒子长度方向振动的光子被金属粒子的 电子等离子振荡吸收，将光能转化为热能；而垂直于金属粒子长度方向振动的 光子无阻碍地通过，产生了光波的偏振。与此结构和原理相类似的偏振片有金 属细丝光栅偏振片。当前一般生产光学偏振玻璃的工艺流程为1.玻璃的熔融将玻璃原料和卤 化银混合升温至熔融状态，并将它们均匀化和纯化后冷却成型。在这一过程中， 玻璃的纯度和银粒子分布的均匀性是偏振片性能的关键因素。2.热处理热处理 的作用是消除玻璃成型过程中的应力，并使卤化银粒子聚集长大，有利于提高 偏振片的性能。在这一阶段，光学偏振玻璃中将出现尺寸为20 500nm的卤化 银粒子。3.延伸这是最终形成不对称形状银粒子均匀定向排布的关键步骤。目前所用的延伸工艺多为热轧，热处理后在玻璃的软化点(约663。C)和徐冷点(约 495'C)之间保温进行轧制，使卤化银粒子呈棒状，长径比为2 : 1 5 : 1，沿延 伸方向排列。4.研削研磨加工延伸的板厚设计为研削研磨加工留有余量，研削研磨是达到规定尺寸的主要方法。目前生产的光学偏振玻璃有0.5mm和10mm 两种厚度，而先进的技术可以制造0.2mm厚的偏振片。5.还原烧成研削研磨 后，在氢气气氛中，在250 495。C进行还原烧成。此过程主要是为了将卤化银 粒子还原成银粒子， 一般是将板的两面表面层5(^m范围内的卤化银粒子还原。 另外该过程还可以去除延伸过程的应力，使偏振片的性能更稳定。1980年，康 宁公司将热延伸过程改进为挤压过程，但无具体的文献说明。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。中国武 汉工业大学和武汉邮电科学院合作将玻璃块置于拉伸炉中， 一端固定另一端加 拉力，制成了有一定偏振作用的玻璃片。以上的方法中，拉伸过程中的拉力和 玻璃或加热区的移动速度都需要精确的控制。对比轧制、挤压和拉伸三种方法，轧制和挤压过程中要解决玻璃的粘膜问题， 而且设备较为复杂；同时还需控制温度分布，以使变形区处于最高温度范围， 甚至要外加冷却系统，使刚变形的部分迅速冷却，以保证被拉长的粒子不发生 回复。拉伸方法虽然不需要考虑粘膜和控温问题，但要控制拉力、速度和加热 区温度。玻璃的抗拉能力有限，特别对温度比较敏感，所以拉力、速度和加热 区温度的配合非常重要。即是如此，所施加的拉力也要有一定的限制，而且拉 伸过程中的断裂也时有发生，因此所得的偏振玻璃性能较轧制和挤压要差。一 般而言，拉伸法都需要经过多次拉伸，这就带来了另外的困难， 一是多次升温 会影响粒子的大小和分布，增加了控制的难度。二是多次拉伸过程中玻璃的形 状很难控制。由于现有的光学偏振玻璃中分布的是长粒状的银粒子，虽然粒子的大致取 向一致，但由于制造工艺决定的粒子的分布却是无序的。这种结构的光学偏振 玻璃不可避免的会存在银粒子分布均匀性，粒子的长径比不一至以及单个粒子 的粗细(短轴径)不同等问题。这就需要制备过程中的复杂的控制手段，导致 工艺过程的可控性较差，成品率低等问题。而且不同批次的产品光学特性差异 较大，对大批量工业生产造成了困难，使得生产成本较高。尽管当前的光学偏振玻璃虽然可以达到较高的消光比和透过率，但若想进一步提高其性能参数就 变得非常困难。从工艺上讲，光学偏振玻璃的生产还沿袭着传统的玻璃制造工 艺一熔融后成型，磨削加工，玻璃的纯度和均匀性控制业已接近了极限，而且 制造成本很高。从性能上讲，光学偏振玻璃的消光比有待于进一步的提高，以适应光纤通讯领域的应用；现有光学偏振玻璃的透过率、耐热稳定性和光损伤阀值有待于进一步提高。因此目前急需光学偏振玻璃的设计及制造工艺创新性的思路和解决方法。发明内容本发明的目的是提供一种含银偏振玻璃的制备方法，其中，偏振效应由银粒子带提供；银粒子带由光刻和喷涂完成。本发明提出的一种含银偏振玻璃的制备方法，该方法涉及光刻系统和喷涂 系统。光刻系统的具体连接方式为扫描反射镜按45度角固定在扫描平台上，刻 蚀光源输出按45度角对准扫描反射镜，相位掩模板按135度角对准扫描反射镜， 使刻蚀光源、扫频反射镜和均匀相位掩模板呈90度直角分布，均匀相位掩模板 后为支架。喷涂系统的具体连接方式为工作气体输出分别接原料混合室和预加热装 置，原料混合室的输出口接喷枪的原料输入口，预加热装置的输出口接喷枪的 工作气体输入口，喷枪的输出接超音速喷管的输入端。含银偏振玻璃的制备方法，包括以下步骤步骤l， SiCL和02按摩尔比1: l放入原料混合室内，SiCl4的粒子直径《 40um，将玻璃片放置距离超音速喷管的出口 5 25mm处；步骤2,打开工作气体He，气体压力为1.5 3. 5MPa， He气分为两路，其 中一路进入原料混合室内，将混合的SiCl4和02送入喷枪；另外一路经预加热装 置预热，预热温度为100 600°C，驱动喷枪工作，喷枪喷出的02和SiCl4粒子， 经超音速喷管并以500 1000m/s喷出，将反应生成的Si02淀积在玻璃片上，当淀积的Si02的厚度达到5mm时停止喷涂；步骤3，利用切片机切下淀积得到的Si02材料，然后利用研磨机将Si02材料抛光，得到Si02玻璃片；步骤4，将Si02玻璃片固定在支架上，扫描反射镜以45度斜角固定在扫描 平台上，采用连续发光激光器作为刻蚀光源，输出的激光以45度入射扫描反射 镜，反射后的激光通过均匀相位掩模板，打到步骤3得到的Si02玻璃片上，移 动扫描平台，平台移动精度为lOOnm,完成光刻过程，光刻凹槽的宽度及间隔由 均匀相位掩模板决定；步骤5，将经过步骤4得到的Si02玻璃片放置距离超音速喷管的出口 5 25mm处，将卤化银粉末放入原料混合室内，打开工作气体He，气体压力为1. 5 3.5MPa， He气分为两路，其中一路进入原料混合室内，将卤化银送入喷枪；另 外一路经预加热装置预热，预热温度为100 60CTC，驱动喷枪工作，喷枪喷出 的卤化银粉末，经超音速喷管并以500 1000m/s喷出，将卤化银填充在步骤4 得到的Si02玻璃片的凹槽内，得到含卤化银的Si02玻璃片；步骤6，重复步骤1和步骤2，在由步骤5得到的卤化银填充后Si02玻璃片 上喷涂Si02，当表面沉积Si02的厚度达到lmm时停止喷涂；步骤7，再次利用研磨机将步骤6得到的整个Si02玻璃片抛光，得到含银偏 振玻璃。本发明的有益效果具体如下 按照本发明所述的方法，制备含银偏振玻璃时，具有很大的灵活性。只须 改变均匀相位掩模板，而不须对其它工艺作任何改动，就可以得到所需的不同 中心波长的偏振玻璃。由于使用高纯度的Si02玻璃基片和高纯度的Si02覆盖层， 只要注意在制备过程中，不人为地引入其它杂质，则用这种方法制作的偏振玻 璃的损耗很小，所以其透过率很高，即保证了该偏振器件具有低的插入损耗， 降低使用时的器件发热量和功耗。与其它光学偏振玻璃的制备方法相比，该方 法具有很高的可重复性，适合大批量的生产。比现有的方法制作偏振玻璃具有更好的偏振性能，更低的损耗，更好的性价比，可以大批量生产。可以生产超 大面积的光学偏振玻璃，在大屏幕显示有重要的应用。另外，本发明包含的偏振玻璃具有耐高温、耐化学腐蚀和耐湿性的特点， 这使其成为在恶劣环境下工作的首选器件。例如汽车制造业中进行光学检验用 的传感和测量系统，它所要求的偏振玻璃的环境适应能力是光学偏振玻璃的可 应用领域。本发明包含的偏振玻璃所具有的优异的光学性能、良好的稳定性和 可加工性，使其获得巨大的潜在的商业价值，它的推广将产生巨大的社会效益 和可观的经济效益。
图1光刻系统。图2喷涂系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。一种含银偏振玻璃的制备方法，该方法涉及光刻系统和喷涂系统，结构如 图l和2所示光刻系统的具体连接方式为:扫描反射镜3按45度角固定在扫描平台5上， 刻蚀光源4光输出按45度角对准扫描反射镜，均匀相位掩模板2按135度角对 准扫描反射镜，使刻蚀光源、扫频反射镜和均匀相位掩模板呈90度直角分布， 均匀相位掩模板后为支架l。喷涂系统的具体连接方式为工作气体He的输出分别接材料混合室6和预 加热装置9，材料混合室的输出口接喷枪7的材料输入口，预加热装置的输出口 接喷枪的工作气体输入口，喷枪的输出接超音速喷管8的输入端。实施例一含银偏振玻璃的制备方法，包括以下步骤步骤l, SiCl4和02按摩尔比1: l放入原料混合室6内，SiCL的粒子直径 为40um，将玻璃片放置距离超音速喷管8的出口 18mm处；步骤2，打开工作气体He，气体压力为3MPa， He气分为两路，其中一路进 入原料混合室6内，将混合的SiCL和02送入喷枪7;另外一路经预加热装置9 预热，预热温度为10(TC，驱动喷枪7工作，喷枪喷出的02和SiCl4粒子，经超 音速喷管8并以800m/s喷出，将反应生成的Si02淀积在玻璃片上，当淀积的Si02 的厚度达到5mm时停止喷涂；步骤3,利用切片机切下淀积得到的Si02材料，然后利用研磨机将Si02材 料抛光，得到Si02玻璃片；步骤4，将Si02玻璃片固定在支架l上，扫描反射镜3以45度斜角固定在 扫描平台5上，采用连续的244倍频氩离子光激光器作为刻蚀光源4，输出的激 光以45度入射扫描反射镜3，反射后的激光通过均匀相位掩模板2，打到步骤3 得到的Si02玻璃片上，移动扫描平台5，平台移动精度为100nm，完成光刻过程， 光刻凹槽的宽度及间隔由均匀相位掩模板2决定；步骤5，将经过步骤4得到的Si02玻璃片放置距离超音速喷管8的出口 5mm 处，将氯化银粉末放入原料混合室6内，打开工作气体He，气体压力为2.2MPa, He气分为两路，其中一路进入原料混合室6内，将氯化银送入喷枪7;另外一 路经预加热装置9预热，预热温度为40(TC，驱动喷枪7工作，喷枪喷出的氯化 银粉末，经超音速喷管8并以500m/s喷出，将氯化银填充在步骤4得到的Si02 玻璃片的凹槽内，得到含氯化银的Si02玻璃片；步骤6，重复步骤1和步骤2，在由步骤5得到的氯化银填充后Si02玻璃片 上喷涂Si02，当表面沉积的Si02的厚度达到lmm时停止喷涂；步骤7，再次利用研磨机将步骤6得到的整个Si02玻璃片抛光，得到含银偏振玻璃。实施例二含银偏振玻璃的制备方法，包括以下步骤步骤1， SiCL和02按摩尔比1: 1放入原料混合室6内，SiCl4的粒子直径 为35um,将玻璃片放置距离超音速喷管8的出口 22mm处；步骤2，打开工作气体He，气体压力为1.5MPa， He气分为两路，其中一路 进入原料混合室6内，将混合的SiCl4和02送入喷枪7;另外一路经预加热装置 9预热，预热温度为IO(TC，驱动喷枪7工作，喷枪喷出的02和SiCh粒子，经 超音速喷管8并以500m/s喷出，将反应生成的Si02淀积在玻璃片上，当淀积的 Si02的厚度达到5mm时停止喷涂；步骤3，利用切片机切下淀积得到的Si02材料，然后利用研磨机将Si02材 料抛光，得到Si02玻璃片；步骤4，将Si02玻璃片固定在支架1上，扫描反射镜3以45度斜角固定在 扫描平台5上，采用连续的244倍频氩离子光激光器作为刻蚀光源4，输出的激 光以45度入射扫描反射镜3，反射后的激光通过均匀相位掩模板2，打到步骤3 得到的Si02玻璃片上，移动扫描平台5，平台移动精度为100nm，完成光刻过程， 光刻凹槽的宽度及间隔由均匀相位掩模板2决定；步骤5，将经过步骤4得到的Si02玻璃片放置距离超音速喷管8的出口 12mm 处，将氟化银粉末放入原料混合室6内，打开工作气体He，气体压力为3.5MPa， He气分为两路，其中一路进入原料混合室6内，将卤化银送入喷枪7;另外一 路经预加热装置9预热，预热温度为60(TC，驱动喷枪7工作，喷枪喷出的氟化 银粉末，经超音速喷管8并以1000m/s喷出，将氟化银填充在淀积在步骤4得 到的Si02玻璃片的凹槽内，得到含氟化银的Si02玻璃片；步骤6，重复步骤1和步骤2，在由步骤5得到的氟化银填充后Si02玻璃片 上喷涂Si02，当表面沉积的Si02的厚度达到Iran时停止喷涂；步骤7，再次利用研磨机将步骤6得到的整个Si02玻璃片抛光，得到含银偏 振玻璃。实示例三，含银偏振玻璃的制备方法，包括以下步骤 步骤l， SiCh和02按摩尔比1: l放入原料混合室6内，SiCL的粒子直径 为30um，将玻璃片放置距离超音速喷管8的出口 25mm处；步骤2，打开工作气体He，气体压力为2.5MPa， He气分为两路，其中一路进入原料混合室6内，将混合的SiCh和02送入喷枪7;另外一路经预加热装置 9预热，预热温度为50(TC，驱动喷枪7工作，喷枪喷出的02和SiCh粒子，经 超音速喷管8并以800m/s喷出，将反应生成的Si02淀积在玻璃片上，当淀积的 Si02的厚度达到5mm时停止喷涂；步骤3，利用切片机切下淀积得到的Si02材料，然后利用研磨机将Si02材料抛光，得到Si02玻璃片；步骤4，将Si02玻璃片固定在支架l上，扫描反射镜3以45度斜角固定在 扫描平台5上，采用连续的244倍频氩离子光激光器作为刻蚀光源4，输出的激 光以45度入射扫描反射镜3，反射后的激光通过均匀相位掩模板2，打到步骤3 得到的Si02玻璃片上，移动扫描平台5，平台移动精度为100nm，完成光刻过程， 光刻凹槽的宽度及间隔由均匀相位掩模板2决定；步骤5，将经过步骤4得到的Si02玻璃片放置距离超音速喷管8的出口 16mra 处，将碘化银粉末放入原料混合室6内，打开工作气体He，气体压力为2.8MPa， He气分为两路，其中一路进入原料混合室6内，将碘化银送入喷枪7;另外一 路经预加热装置9预热，预热温度为45(TC，驱动喷枪7工作，喷枪喷出的碘化 银粉末，经超音速喷管8并以750m/s喷出，将碘化银填充在淀积在步骤4得到 的Si02玻璃片的凹槽内，得到含碘化银的Si02玻璃片；步骤6，重复步骤1和步骤2，在由步骤5得到的碘化银填充后Si02玻璃片 上喷涂Si02，当表面沉积的Si02的厚度达到lmm时停止喷涂；步骤7，再次利用研磨机将步骤6得到的整个Si02玻璃片抛光，得到含银偏 振玻璃。
权利要求
1. 一种含银偏振玻璃的制备方法，其特征在于该制备方法的步骤步骤1，SiCl4和O2按摩尔比1∶1放入原料混合室(6)内，SiCl4的粒子直径≤40μm，将玻璃片放置距离超音速喷管(8)的出口5～25mm处；步骤2，打开工作气体He，气体压力为1.5～3.5MPa，He气分为两路，其中一路进入原料混合室(6)内，将混合的SiCl4和O2送入喷枪(7)；另外一路经预加热装置(9)预热，预热温度为100～600℃，驱动喷枪(7)工作，喷枪喷出的O2和SiCl4粒子，经超音速喷管(8)并以500～1000m/s喷出，将反应生成的SiO2淀积在玻璃片上，当淀积的SiO2的厚度达到5mm时停止喷涂；步骤3，利用切片机切下淀积得到的SiO2材料，然后利用研磨机将SiO2材料抛光，得到SiO2玻璃片；步骤4，将SiO2玻璃片固定在支架(1)上，扫描反射镜(3)以45度斜角固定在扫描平台(5)上，采用连续发光激光器作为刻蚀光源(4)，输出的激光以45度入射扫描反射镜(3)，反射后的激光通过均匀相位掩模板(2)，打到步骤3得到的SiO2玻璃片上，移动扫描平台(5)，平台移动精度为100nm，完成光刻过程，光刻凹槽的宽度及间隔由均匀相位掩模板(2)决定；步骤5，将经过步骤4得到的SiO2玻璃片放置距离超音速喷管(8)的出口5～25mm处，将卤化银粉末放入原料混合室(6)内，打开工作气体He，气体压力为1.5～3.5MPa，He气分为两路，其中一路进入原料混合室(6)内，将卤化银送入喷枪(7)；另外一路经预加热装置(9)预热，预热温度为100～600℃，驱动喷枪(7)工作，喷枪喷出的卤化银粉末，经超音速喷管(8)并以500～1000m/s喷出，将卤化银填充在步骤4得到的SiO2玻璃片的凹槽内，得到含卤化银的SiO2玻璃片；步骤6，重复步骤1和步骤2，在由步骤5得到的卤化银填充后SiO2玻璃片上喷涂SiO2，当表面沉积的SiO2的厚度达到1mm时停止喷涂；步骤7，再次利用研磨机将步骤6得到的整个SiO2玻璃片抛光，得到含银偏振玻璃。
全文摘要
一种含银偏振玻璃的制备方法，属于光纤通信、光电显示领域。在制备含银偏振玻璃时，首先，在玻璃片上喷涂一层SiO<sub>2</sub>，经切割研磨后，通过光学模和光刻使其表面出现微槽。光刻凹槽的宽度及间隔由均匀相位掩模板决定，然后，对微槽进行喷涂附着卤化银，最后，利用等离子技术制作一层SiO<sub>2</sub>玻璃材料，将微槽覆盖，再次研磨得到含银偏振玻璃。本发明不同于以往常见的溶胶-凝胶含银偏振玻璃的制作方法，工艺流程容易控制，产品的工作性能稳定，生产周期较短，而且采用研磨抛光、刻槽以及银粒子喷涂附着技术，不仅实现简便，更能达到比较高的几何精度。总体而言，本发明简单实用，易于实现，具有较强的可重复性和灵活性。
文档编号C03C17/02GK101544463SQ20091008188
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月15日 优先权日2009年4月15日
发明者宁提纲, 延凤平, 帆 张, 晶 李, 王春灿, 伟 简, 丽 裴 申请人:北京交通大学