CN113267842A - 一种玻璃偏振片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种玻璃偏振片，其内部的银纳米颗粒在三维空间均匀分布，且内部各个位置的银纳米颗粒的椭球长短轴比例及长轴方向根据应用需求定制。其制作方法包括以下步骤：步骤1），使用含一定量的Fe²⁺离子钠钙玻璃，通过离子交换工艺使Ag⁺离子部分替代玻璃内部的Na⁺离子或K⁺离子，或者在熔制钠钙玻璃时加入银；步骤2），接着高温400~700℃热处理，使得银纳米颗粒均匀扩散到玻璃内部各处；步骤3），采用400~2000nm偏振超快激光通过空间光调制器形成三维空间分布的差异曝光，使玻璃内部的银纳米颗粒发生三维空间形变产生偏振效应。本发明具有极高消光比的性能，在500~2000nm消光比远大于50dB，而且由于偏振吸收的银纳米颗粒分布于整个玻璃内部，背向反射更小，稳定性更高，寿命更长。

Description

一种玻璃偏振片及其制作方法

技术领域

本发明涉及光通信、偏振光成像领域、集成光学和量子光学领域使用的偏振片，尤其涉及一种玻璃偏振片及其制作方法。

背景技术

目前市场上的光学偏振调制通常由偏振片实现。其中偏振片的结构有三种类型，分别是基于光学材料表面金属线栅，基于光学材料表层的银或铜或金纳米线和基于双折射晶体偏振分光。其中基于光学材料表层金属纳米线的偏振片制作工艺有两种。第一种是Corning在1984年申请的美国专利4479819，通过掺Ag⁺离子的光敏玻璃在高温过程卤化银长大到数百纳米尺寸，然后通过机械拉伸的工艺将纳米卤化银颗粒拉伸成一定的长宽比，经过氢气还原卤化银成单质银，从而具备吸收单一偏振光效果的偏振片，该工艺需要从熔制特种玻璃到玻璃拉伸设备研制，成本较高，同时拉伸过程对平板玻璃无法做到100%的利用率，并且由于玻璃内部全部是长大的卤化银颗粒，高压氢气还原只能到达表面下30~50微米的深度，无法全部还原，导致高温或长时间条件下，由氢气溢出玻璃，玻璃内部银被氧化，引起偏振性能变化，于是高温和长时间可靠性存在一定的不确定性。第二种是德国Codixx偏振片，用钠钙玻璃先离子交换引入Ag⁺离子，然后通过氢气还原，在玻璃表面约500纳米范围内形成一定尺寸的银纳米颗粒，飞秒激光直接拉伸银纳米颗粒变成具有一定长宽比椭球的银颗粒偏振片，该工艺沿玻璃厚度方向只能制作单一拉伸方向的偏振片，同时因为氢气还原会将Ag⁺离子逐步吸引到玻璃表面导致过于集中，产生背向散射过大，用于光通信隔离器时，会有高速信号误码率高风险，而且偏振带宽较窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种设计灵活，结构紧凑，可靠性好，不易损伤的玻璃偏振片及其制作方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种玻璃偏振片，其内部的银纳米颗粒在三维空间均匀分布，且内部各个位置的银纳米颗粒的椭球长短轴比例及长轴方向根据应用需求定制。

所述玻璃偏振片中偏振调制区域内的银纳米颗粒呈长椭球形，长轴在20-1000nm范围内，长短轴比例在1-20倍。

所述银纳米颗粒的形成是通过超快激光经过空间光调制器调制后，在玻璃内部三维空间同时实现不同位置，不同线偏振方向，不同脉冲能量调制曝光。

本发明一种玻璃偏振片的制作方法，其包括以下步骤：

步骤1），使用含一定量的Fe²⁺离子钠钙玻璃，通过离子交换工艺使Ag⁺离子部分替代玻璃内部的Na⁺离子或K⁺离子，或者在熔制钠钙玻璃时加入银；

步骤2），接着高温400~700℃热处理，使Ag⁺离子在扩散运动过程被Fe²⁺离子还原变成单质银，单质银互相碰撞过程逐渐长大到直径30~200银纳米颗粒，同时银纳米颗粒均匀扩散到玻璃内部各处；

步骤3），采用400~2000nm偏振超快激光通过空间光调制器形成三维空间分布的差异曝光，使玻璃内部的银纳米颗粒发生三维空间形变产生偏振效应。

本发明采用以上技术方案，具有以下技术效果：本发明提出在光学玻璃内部三维空间，灵活制作偏振调制的结构和制作方法。利用Fe²⁺离子代替氢气来实现Ag⁺离子还原成单质银，通过高温长时间热处理将玻璃内部的Ag⁺离子还原，同时逐渐长大到特定尺寸，均匀分布于整个玻璃内部，再通过空间光调制器调制偏振超快激光实现玻璃内部三维空间曝光，从而形成灵活定制的偏振调制器，既能解决玻璃内部银离子不能全部还原导致的可靠性风险，降低了工艺复杂性，同时又能解决常规飞秒激光曝光氢气还原含银玻璃片的背向散射过大缺陷，还能实现三维空间不同方向的偏振调制和偏振带宽定制。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明玻璃偏振器实施例1的内部结构示意图；

图2为本发明玻璃偏振器实施例2的内部结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种玻璃偏振片，其内部的银纳米颗粒在三维空间均匀分布，且内部各个位置的银纳米颗粒的椭球长短轴比例及长轴方向根据应用需求定制，可以均不相同。

所述玻璃偏振片中偏振调制区域内的银纳米颗粒呈长椭球形，长轴在20-1000nm范围内，长短轴比例在1-20倍。

所述银纳米颗粒的形成是通过超快激光经过空间光调制器调制后，在玻璃内部三维空间同时实现不同位置，不同线偏振方向，不同脉冲能量调制曝光。

实施例1，如图1所示，沿Z方向从上到下，上层9个格子代表不同区域内银纳米颗粒拉伸方向相同，但并非一个格子只有一个银纳米椭球，如果排布相同，那么就可以成为单一偏振方向的吸收。中层的格子代表不同区域内银纳米颗粒拉伸方向相同，但是拉伸长度小于上层的银纳米颗粒。下层的格子代表不同区域内银纳米颗粒拉伸方向相同，但是拉伸长度与上层的银纳米颗粒相近，大于中层的银纳米颗粒。

光通讯领域需要大量隔离器来减小回返光引起的光信号误码率，隔离器中需要高消光比的宽带偏振片与旋转片配合使用，而且对偏振片的可靠性有很高要求，同时偏振片厚度越薄越有利于器件小型化。因此参考图1的玻璃内部银纳米颗料结构设计，提出以下实施步骤：

步骤1），以商用钠钙玻璃（Fe²⁺离子含量0.1%）为基础，尺寸100x100毫米，先经过清洗，再通过 KNO₃/AgNO₃(Ag 1%mol)离子交换工艺在380℃交换5分钟，然后再次清洗去除表面残留的硝酸盐；

步骤2），将离子交换后的玻璃放入高温炉，550℃处理100小时，使Ag⁺离子在扩散运动过程被Fe²⁺离子还原变成单质银，单质银互相碰撞过程逐渐长大到直径30~200银纳米颗粒，同时银纳米颗粒均匀扩散到玻璃内部各处；

步骤3），采用搭建的超快激光曝光***（包括1030纳米超快激光器、倍频器和多轴运动平台），首先1030纳米超快激光倍频到515纳米输出偏振光，含银纳米颗粒的玻璃放置于运动平台，曝光时，以0.5~20毫米/秒速度移动玻璃使其曝光，得到中层的银纳米颗粒拉伸规则分布；

步骤4），采用搭建的超快激光曝光***（包括1030纳米超快激光器和多轴运动平台），用1030纳米超快激光输出偏振光，含纳米颗粒的玻璃放置于运动平台，曝光时，以0.5~20毫米/秒速度移动玻璃使其曝光，得到上层和下层的银纳米颗粒拉伸规则分布；

步骤5），采用搭建的超快激光曝光***（包括1030纳米超快激光器和多轴运动平台），用1030纳米超快激光输出偏振光，调节超快激光聚焦到玻璃表面，将玻璃切割成所需尺寸；

步骤6），用双面抛光法将玻璃减薄到所需厚度，得到最终的玻璃偏正片。

实施例2，如图2所示，沿Z方向从上到下，上层9个格子代表不同区域内银纳米颗粒拉伸方向不同，但并非一个格子只有一个银纳米椭球。上层相邻4个格子内银纳米颗粒的拉伸方向按-45度、0度、45度规则周期排列。中层的格子代表不同区域内银纳米颗粒拉伸方向周期排列规则与上层格子内的银纳米颗粒相同，但是拉伸长度小于上层的银纳米颗粒，下层的格子代表不同区域内银纳米颗粒拉伸方向周期排列规则与上层格子内的银纳米颗粒相同，但是拉伸长度与上层的银纳米颗粒相近，大于中层的银纳米颗粒。

偏振光成像领域需要在相机的阵列感光单元上叠加阵列偏振调制器。因此参考图2的玻璃内部银纳米颗料结构设计，提出以下实施步骤：

步骤1），以商用钠钙玻璃成分为基础，加入一定量的Ag并控制Fe含量适中，熔制掺银钠钙玻璃，挑选无气泡且均匀区域切割抛光加工尺寸25x25毫米备用；

步骤2），将抛光好的玻璃放入高温炉，500℃处理100小时，使Ag⁺离子在扩散运动过程被Fe²⁺离子还原变成单质银，单质银互相碰撞过程逐渐长大到直径30~200银纳米颗粒，同时银纳米颗粒均匀扩散到玻璃内部各处；

步骤3），采用搭建的超快激光曝光***（包括1030纳米超快激光器、倍频器、LCOS空间光调制器和多轴运动平台），首先1030纳米超快激光倍频到515纳米，然后通过LCOS编程形成三维空间偏振光，含银纳米颗粒的玻璃放置于运动平台，曝光时，以0.5-20毫米/秒速度移动玻璃使其曝光；在曝光过程，通过提前设置好的LCOS调制程序，自动在玻璃不同位置，不同层面或者不同方向进行差异化处理。在515纳米激光处理完好，还可以用1030纳米超快激光再次处理产生更优秀性能。

上面结合附图对本发明的实施加以描述，但是本发明不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式是示意性而不是加以局限本发明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (4)

1.一种玻璃偏振片，其特征在于：其内部的银纳米颗粒在三维空间均匀分布，且内部各个位置的银纳米颗粒的椭球长短轴比例及长轴方向根据应用需求定制。

2.根据权利要求1所述的一种玻璃偏振片，其特征在于：所述玻璃偏振片中偏振调制区域内的银纳米颗粒呈长椭球形，长轴在20-1000nm范围内，长短轴比例在1-20倍。

3.根据权利要求2所述的一种玻璃偏振片，其特征在于：所述银纳米颗粒的形成是通过超快激光经过空间光调制器调制后，在玻璃内部三维空间同时实现不同位置，不同线偏振方向，不同脉冲能量调制曝光。

4.根据权利要求1所述的一种玻璃偏振片的制作方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1），使用含一定量的Fe²⁺离子钠钙玻璃，通过离子交换工艺使Ag⁺离子部分替代玻璃内部的Na⁺离子或K⁺离子，或者在熔制钠钙玻璃时加入银；

步骤2），接着高温400~700℃热处理，使Ag⁺离子在扩散运动过程被Fe²⁺离子还原变成单质银，单质银互相碰撞过程逐渐长大到直径30~200银纳米颗粒，同时银纳米颗粒均匀扩散到玻璃内部各处；

步骤3），采用400~2000nm偏振超快激光通过空间光调制器形成三维空间分布的差异曝光，使玻璃内部的银纳米颗粒发生三维空间形变产生偏振效应。

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