RU2697413C1

RU2697413C1 - Polarization films for visible spectrum with nanostructured surface based on quartz nanoparticles

Info

Publication number: RU2697413C1
Application number: RU2018121795A
Authority: RU
Inventors: Наталия Владимировна Каманина; Светлана Владимировна Лихоманова; Наталья Николаевна Рожкова
Original assignee: Акционерное общество "Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова" (АО "ГОИ им. С.И. Вавилова")
Priority date: 2018-06-13
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2019-08-14

Abstract

FIELD: instrument engineering.

SUBSTANCE: invention relates to optical instrument-making, laser, telecommunication, display and biomedical engineering when used in eye protection devices for welders, aircraft pilots, etc. Polarized iodine-polyvinyl film contains iodized polyvinyl alcohol with low content of acetate groups as a polarization base. Both surfaces of the film are structured with quartz nanoparticles by their laser application on the surface of films with the help of CO₂-laser and orientation in electric field with intensity of 100–600 V/cm.

EFFECT: maintaining transmission in visible spectral range with increase in mechanical strength by 2_6 times.

1 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к области оптического приборостроения, лазерной, телекоммуникационной, дисплейной и биомедицинской техники, а также полезно при использовании в приборах защиты глаз сварщиков, защитных шторок пилотов самолетов, при использовании жидкокристаллических модуляторов света, дисплеев, переключателей лазерного излучения, функционирующих в скрещенных поляроидах - поляризационных пленках. Устройство представляет собой структуру, состоящую из пленки иодированного поливинилового спирта (ПВС) и нанесенных с двух сторон наночастиц кварца. При функционировании данного устройства предлагается использовать поляризационные пленки как в параллельном, так и в скрещенном положении в зависимости от необходимости получения изначально светлого или черного поля. Технический результат - увеличение поверхностной механической прочности и микротвердости.The present invention relates to the field of optical instrumentation, laser, telecommunication, display and biomedical technology, and is also useful when using welders in eye protection devices, protective curtains of aircraft pilots, when using liquid crystal light modulators, displays, laser radiation switches operating in crossed polaroids polarizing films. The device is a structure consisting of a film of iodinated polyvinyl alcohol (PVA) and silica nanoparticles deposited on both sides. In the operation of this device, it is proposed to use polarizing films in both parallel and crossed positions, depending on the need to obtain an initially bright or black field. The technical result is an increase in surface mechanical strength and microhardness.

Изобретение относится к области оптоэлектроники, в частности к конструкции дисплейных элементов, визуализаторов биообъектов на основе эритроцитов крови человека и ДНК в оптических микроскопах, к конструкции электро- и светоуправляемых жидкокристаллических пространственно-временных модуляторов света (ЖК-ПВМС), ограничителей и переключателей лазерного излучения, к конструкции очков для сварщиков и пилотов самолетов, др. [1-3], а также может быть рассмотрено как поляризационный элемент нового поколения с наноструктурированной поверхностью, позволяющей избежать процесса запрессовывания тонких пленок в силикатные стекла и их ламинирования.The invention relates to the field of optoelectronics, in particular, to the design of display elements, visualizers of biological objects based on human blood red blood cells and DNA in optical microscopes, to the design of electro-and light-controlled liquid crystal spatio-temporal light modulators (LCD-PVMS), laser radiation limiters and switches, to the design of glasses for welders and pilots of aircraft, etc. [1-3], and can also be considered as a polarization element of a new generation with a nanostructured surface A view that avoids the process of pressing thin films into silicate glasses and laminating them.

Известно, что функционирование поляризационного элемента связано с поперечностью электромагнитных волн. Основа работы такого поляризационного устройства обусловлена его способностью пропускать одну из компонент естественного света, параллельную оси поляризатора, и задерживать другую, ортогональную компоненту. Известны объемные поляризаторы (призмы Глана, Томпсона, Аренса, др.) и тонкопленочные. Известны, к примеру, два способа создания тонкопленочных поляризационных устройств. Первый основан на напылении металлических полос на полимерную основу и отражает и пропускает падающее излучение разной поляризации, соответственно. Второй основан на создании, например, полимерных йодно-поливиниловых поляризационных пленок, пропускающих, соответственно, параллельную компоненту падающего света и поглощающих - ортогональную компоненту. Таким образом, принцип действия йодно-поливинилового пленочного поляризатора основан на дихроизме поглощения анизотропных комплексов ПВС-йод.It is known that the functioning of a polarizing element is associated with the transverse nature of electromagnetic waves. The basis of the operation of such a polarizing device is due to its ability to transmit one of the components of natural light parallel to the axis of the polarizer, and to delay another, orthogonal component. Volumetric polarizers (prisms of Glan, Thompson, Arens, etc.) and thin-film are known. For example, two methods for creating thin-film polarization devices are known. The first is based on the deposition of metal strips on a polymer base and reflects and transmits incident radiation of different polarization, respectively. The second is based on the creation of, for example, polymer iodine-polyvinyl polarization films, which transmit, respectively, the parallel component of the incident light and absorb the orthogonal component. Thus, the principle of action of the iodine-polyvinyl film polarizer is based on the absorption dichroism of the PVA-iodine anisotropic complexes.

Для предотвращения царапин и изгибов полимерной поляризационной пленки обычно ее заклеивают между стеклянными поверхностями (силикатное стекло, например, крон К8) или запрессовывают в триацетатцеллюлозу. Это позволяет сохранить форму пленок, избежать изгибов и царапин на поверхности, что немаловажно в оптоэлектронных схемах для снижения аберраций в оптических каналах и получения неискаженного сигнала при работе дисплейных пикселей и изображений объектов, изучаемых с помощью микроскопов.To prevent scratches and bends of the polymer polarizing film, it is usually glued between glass surfaces (silicate glass, for example, K8 crowns) or pressed into cellulose triacetate. This allows you to preserve the shape of the films, to avoid bending and scratching the surface, which is important in optoelectronic circuits to reduce aberrations in the optical channels and to obtain an undistorted signal during the operation of display pixels and images of objects studied using microscopes.

Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве аналога [4], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку поливинилового спирта (ПВС), заклеенную между силикатными стеклами К8 с помощью акрилового клея или клея бальзамин-М. Поляризационная пленка функционировала в видимом диапазоне спектра с разным уровнем пропускания в зависимости от состава и условий синтеза. Недостатком данной конструкции поляризационной пленки явилось недостаточное пропускание параллельной компоненты света (на уровне 40%) в области 400-750 нм и плохая механическая прочность самой пленки, что вынуждало размещать ее между стеклами, увеличивая число границ раздела сред, а, следовательно, величину потерь Френеля на отражение. Это затрудняет применение устройства, выбранного в качестве аналога, в лазерных, телевизионных, дисплейных, микроскопических, др. системах.A known design of a polarizing film, selected as an analogue [4], containing as a polarizing element a film of polyvinyl alcohol (PVA), glued between K8 silicate glasses using acrylic glue or Balsamine-M glue. The polarization film operated in the visible range of the spectrum with different transmittance levels depending on the composition and synthesis conditions. The disadvantage of this design of the polarization film was the insufficient transmission of the parallel light component (at 40%) in the region of 400-750 nm and the poor mechanical strength of the film itself, which forced it to be placed between the glasses, increasing the number of media interfaces, and, consequently, the Fresnel loss to reflection. This makes it difficult to use the device selected as an analogue in laser, television, display, microscopic, and other systems.

Известна конструкция поляризационной пленки, выбранная в качестве прототипа [5], содержащего в качестве поляризационного элемента пленку сополимера ПВС, заклеенную в триацетатцеллюлозу, что позволяло обеспечивать высокую равномерность по толщине и плоскостности. Было достигнуто увеличение пропускания для параллельной компоненты света на уровне 40-55%, что выше, чем в поляризационной пленке, выбранной в качестве аналога. Недостатком данной конструкции пленочного поляризатора явилось недостаточное сопротивление деформируемости пленки, что снижало поверхностную механическую прочность, а также наличие нескольких границ раздела, что также вело к увеличению потерь на отражении, при многочисленных дефектах, при работе поляризатора.A known construction of a polarizing film, selected as a prototype [5], containing as a polarizing element a PVA copolymer film sealed in cellulose triacetate, which made it possible to ensure high uniformity in thickness and flatness. An increase in transmittance was achieved for the parallel light component at the level of 40-55%, which is higher than in the polarization film selected as an analog. The disadvantage of this design of the film polarizer was the lack of resistance to deformability of the film, which reduced the surface mechanical strength, as well as the presence of several interfaces, which also led to an increase in reflection loss, with numerous defects, during the operation of the polarizer.

Техническим результатом изобретения является дальнейшее повышение поверхностной механической прочности и микротвердости.The technical result of the invention is a further increase in surface mechanical strength and microhardness.

Указанный результат достигается наноструктурированием поверхности пленок наночастицами кварца. Указанный результат достигается тем, что нанесение на поверхность поляризационных пленок наночастиц кварца уменьшает число поверхностных дефектов, уменьшает число границ раздела и нивелирует свили в полимерной основе. В спектральной области длин волн 400-750 нм пленки обеспечивают пропускание параллельной компоненты света на уровне 55-70%. Повышение поверхностной механической прочности и микротвердости обусловлено заполнением рыхлой полимерной основы наночастицами кварца, что обеспечивает упрочнение поверхности за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых кварцевых наночастиц. Замена ламинирования поляризационных пленок при их заклеивании в стекло К8 или запрессовывании в триацетатцеллюлозу процессом лазерного нанесения ориентированных в электрическом поле кварцевых наночастиц обеспечивает отсутствие царапин и дефектов на поверхности пленок, что делает их более функционально пригодными в лазерных системах коррекции аберраций, дисплейной и биомедицинской технике.The indicated result is achieved by nanostructuring the surface of the films with quartz nanoparticles. The indicated result is achieved by the fact that the deposition of quartz nanoparticles on the surface of polarizing films reduces the number of surface defects, reduces the number of interfaces, and levels the strands in a polymer base. In the spectral region of wavelengths of 400–750 nm, films provide transmission of a parallel light component at the level of 55–70%. The increase in surface mechanical strength and microhardness is due to the filling of a loose polymer base with quartz nanoparticles, which provides surface hardening due to the incorporation of intractable quartz nanoparticles into the surface. Replacing the lamination of polarizing films when they are glued into K8 glass or pressed into cellulose triacetate by laser deposition of quartz nanoparticles oriented in the electric field ensures the absence of scratches and defects on the surface of the films, which makes them more functional in laser aberration correction systems, display and biomedical equipment.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что заявляемая поляризационная пленка отличается тем, что для сохранения пропускания в видимом диапазоне спектра используется тот же состав иодированного поливинилового спирта, но для увеличения поверхностной механической прочности и микротвердости используется наноструктурирование поверхности пленок наночастицами кварца путем их лазерного нанесения на поверхность пленок и ориентированием в электрическом поле. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».A comparative analysis with the prototype shows that the inventive polarization film is different in that the same composition of iodinated polyvinyl alcohol is used to preserve transmittance in the visible spectrum, but nanostructuring of the surface of the films by quartz nanoparticles by laser application to the surface of the films is used to increase the surface mechanical strength and microhardness and orientation in an electric field. Thus, the claimed device meets the criterion of "novelty."

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлены общий вид поляризационной пленки, закрепленной в растяжную рамку (фиг. 1), зависимостями пропускания от длины волны для параллельной и ортогональной компонент (фиг. 2), а также сравнительными данными по изменению микротвердости (фиг. 3).The invention is illustrated by the drawing, which shows a General view of a polarizing film fixed in a tensile frame (Fig. 1), the transmission dependences on the wavelength for parallel and orthogonal components (Fig. 2), as well as comparative data on the change in microhardness (Fig. 3) .

Итак, предлагаемая поляризационная пленка (фиг. 1) представляет собой однородную структуру, состоящую из слоя иодированного поливинилового спирта толщиной 60-80 микрометров и нанесенных на обе поверхности пленки слоя наночастиц кварца толщиной ~0.05 мкм, осаждаемых в вакууме лазерным способом при приложении ориентирующего электрического поля напряженностью 100-600 В/см.Thus, the proposed polarization film (Fig. 1) is a homogeneous structure consisting of a layer of iodinated polyvinyl alcohol 60-80 micrometers thick and a layer of quartz nanoparticles ~ 0.05 microns thick deposited on both surfaces of the film, deposited in a vacuum by a laser using an orienting electric field tension of 100-600 V / cm.

Измерения пропускания пленок без нанесения наночастиц кварца и при их нанесении на поверхность пленок показывают сохранение пропускания в видимой области спектра для параллельной компоненты света (фиг. 2, кривые 1 и 2) и сохранение минимального пропускания для ортогональной компоненты света (фиг. 2, кривые 3 и 4).Measurements of the transmission of films without deposition of quartz nanoparticles and when applied to the surface of the films show the preservation of transmittance in the visible region of the spectrum for the parallel light component (Fig. 2, curves 1 and 2) and the preservation of the minimum transmittance for the orthogonal component of light (Fig. 2, curves 3 and 4).

Измерение прочностных характеристик (фиг. 3) показывают увеличение микротвердости в 2.6 раз.Measurement of strength characteristics (Fig. 3) show a 2.6-fold increase in microhardness.

Таким образом, йодно-поливиниловые поляризационные пленки делались по традиционной технологии с учетом новизны, связанной с наноструктурирование поверхности пленок наночастицами кварца. Сущность традиционной технологии заключается в растяжении при комнатной температуре увлажненной, немного поддубленной и йодированной в растворе йода с йодистым калием поливиниловой пленки из высокомолекулярного поливинилового спирта. Для поставленной цели используется высокомолекулярный ПВС с малым содержанием ацетатных групп. Отфильтрованный и отстоявшийся раствор ПВС разливается на чистые полированные (без царапин и оптических дефектов) стекла, помещенные на столики в специальном сушильном шкафу. Стекла нивелированы по уровню. После высыхания пленки снимаются со стекол. Проводится увлажнение заготовок поливиниловых пленок в парах воды в закрытом сосуде при комнатной температуре. Далее осуществляется дубление увлажненных заготовок поливиниловых пленок в растворе борной кислоты при комнатной температуре, а затем - окрашивание поддубленных заготовок поливиниловых пленок в водном растворе йода с йодистым калием при соотношении: J₂/KJ=1/1.1. Технологический процесс ведется при комнатной температуре. Времена дубления и йодирования подбираются экспериментально для достижения требуемых параметров поляроидов. Растяжение увлажненной и окрашенной поливиниловой пленки в специальной растяжной машине с ручным приводом при комнатной температуре до величины растяжения не менее 3.5 раз по отношению к начальной длине пленки, закрепленной для растяжения. Сушка поляризационной пленки в растянутом состоянии в специальных растяжных рамках при комнатной температуре. После сушки получается эластичная поляризационная пленка серого цвета, поляризующая свет в широкой области спектра 280 -800 нм.Thus, iodine-polyvinyl polarization films were made according to the traditional technology, taking into account the novelty associated with nanostructuring of the film surface by quartz nanoparticles. The essence of traditional technology is to stretch at room temperature a polyvinyl film from a high molecular weight polyvinyl alcohol that is moistened, slightly doubled and iodinated in a solution of iodine with potassium iodide. For this purpose, high molecular weight PVA with a low content of acetate groups is used. The filtered and settled PVA solution is poured onto clean polished (without scratches and optical defects) glasses placed on tables in a special drying cabinet. Glasses are leveled by level. After drying, the films are removed from the glass. The blanks of polyvinyl films are humidified in water vapor in a closed vessel at room temperature. Next, tanning of moistened preforms of polyvinyl films in a solution of boric acid is carried out at room temperature, and then dyeing of prefabricated preforms of polyvinyl films in an aqueous solution of iodine with potassium iodide is carried out at a ratio of: J ₂ /KJ=1/1.1. The technological process is carried out at room temperature. The tanning and iodination times are selected experimentally to achieve the required polaroid parameters. Stretching moistened and colored polyvinyl film in a special stretching machine with a manual drive at room temperature to a stretching value of at least 3.5 times with respect to the initial length of the film fixed for stretching. Stretched polarized film drying in special tensile frames at room temperature. After drying, an elastic gray polarizing film is obtained, which polarizes light in a wide spectral region of 280-800 nm.

Сущность новизны в технологическом цикле заключается в наноструктурировании поверхности йодно-поливиниловой поляризационной пленки наночастицами кварца. Для этого используется лазерное осаждение наночастиц кварца при применении р-поляризованного излучения СО₂-лазера на длине волны 10.6 микрометров, а также ориентирование осаждаемых углеродных нанотрубок в электрическом поле напряженностью 100-600 В/см.The essence of the novelty in the technological cycle consists in nanostructuring the surface of the iodine-polyvinyl polarization film with quartz nanoparticles. To do this, laser deposition of quartz nanoparticles using p-polarized radiation of a CO ₂ laser at a wavelength of 10.6 micrometers is used, as well as the orientation of the deposited carbon nanotubes in an electric field of 100-600 V / cm.

Указанное усовершенствование в применении наноструктрирования поверхности поляризационных пленок, ранее используемое при применении углеродных нанотрубок для модификации проводящих оксидных слоев дисплейных элементов, модуляторов света для увеличения лазерной и механической прочности проводящих слоев [6], а также для структурирования поверхности поляризаторов углеродными нанотрубками [7], привело к сохранению пропускания йодно-поливиниловых поляризационных пленок в видимой области спектра для параллельной компоненты света и увеличению поверхностной механической прочности и микротвердости поляризационных пленок, предотвращающее деформируемость пленок - за счет встраивания в поверхность трудноразрушимых наночастиц кварца.The indicated improvement in the application of nanostructuring of the surface of polarizing films, previously used in the application of carbon nanotubes to modify the conductive oxide layers of display elements, light modulators to increase the laser and mechanical strength of the conductive layers [6], as well as to structure the surface of polarizers with carbon nanotubes [7], led to preserve the transmission of iodine-polyvinyl polarization films in the visible region of the spectrum for the parallel light component and increased the increase in the surface mechanical strength and microhardness of polarizing films, which prevents the deformability of the films due to the incorporation of intractable quartz nanoparticles into the surface.

Указанное усовершенствование позволило расширить область применения пленок в системах записи-считывания оптической информации, переключения потоков излучения, др. в телекоммуникационных, дисплейных и биомедицинских системах и комплексах.The indicated improvement made it possible to expand the field of application of films in systems for recording and reading optical information, switching radiation fluxes, and others in telecommunication, display, and biomedical systems and complexes.

Источники информации:Information sources:

1. Васильев А.А., Касасент Д., Компанец И.П., Парфенов А.В. Пространственные модуляторы света, - М.: Радио и связь. 1987, 320 с.1. Vasiliev A.A., Casasent D., Kompanets I.P., Parfenov A.V. Spatial light modulators, - M.: Radio and communications. 1987, 320 p.

2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. Новосибирск: ВО "Наука", 1994. 214 с.2. Zharkova G.M., Sonin A.S. Liquid crystal composites. Novosibirsk: VO "Nauka", 1994.214 p.

3. Каманина Н.В., Сомс Л.Н., Тарасов А.А. «Коррекция фазовых аберраций голографическим методом с применением жидкокристаллических пространственных модуляторов света», Оптика и спектроскопия, т. 68, №3, с. 691-693, 1990.3. Kamanina N.V., Soames L.N., Tarasov A.A. “Correction of phase aberrations by the holographic method using liquid crystal spatial light modulators”, Optics and Spectroscopy, vol. 68, No. 3, p. 691-693, 1990.

4. Савко С.С., Игольникова Л.М. «Влияние солнечного облучения на стабильность поляризационных светофильтров», Оптико-механическая промышленность, №1, с. 6-9б 1981.4. Savko S.S., Igolnikova L.M. “The effect of solar radiation on the stability of polarizing filters”, Optical-mechanical industry, No. 1, p. 6-9b 1981.

5. Виноградова О.В., Гапоненко И.М., Налбандян Ю.Е., Савко С.С., Студенов В.И., Учанов Ю.Е. «Повышение термо- и влагостойкости поляризационных пленок», Оптико-механическая промышленность, №11, с. 41-43, 1989.5. Vinogradova O. V., Gaponenko I. M., Nalbandyan Yu. E., Savko S. S., Studenov V. I., Uchanov Yu. E. “Improving the thermal and moisture resistance of polarizing films”, Optical-mechanical industry, No. 11, p. 41-43, 1989.

6. Каманина Н.В., Васильев П.Я. «Перспективы использования прозрачных проводящих покрытий с фуллеренами и нанотрубками для дисплейных элементов нового поколения», Письма в ЖТФ, т. 33, вып. 18, с. 8-13, 2007.6. Kamanina N.V., Vasiliev P.Ya. “Prospects for the use of transparent conductive coatings with fullerenes and nanotubes for new-generation display elements”, Letters in ZhTF, vol. 33, no. 18, p. 8-13, 2007.

7. Каманина Н.В., Лихоманова С.В., Васильев П.Я., Студёнов В.И., Чернозатонский Л.А., Ваганов В.Е., Мишаков И.В.. «Изменение поверхностных свойств тонкопленочных поляризаторов с углеродными наноструктурами», Письма в ЖТФ, Т. 37, вып. 24, с. 49-56, 2011.7. Kamanina N.V., Likhomanova S.V., Vasiliev P.Ya., Studenov V.I., Chernozatonsky L.A., Vaganov V.E., Mishakov I.V .. “Change in the surface properties of thin-film polarizers with carbon nanostructures ”, Letters in ZhTF, T. 37, issue. 24, p. 49-56, 2011.

Claims

Polarization iodine-polyvinyl film for microscopic, laser, television, display and biomedical equipment, for the construction of spatio-temporal light modulators, display pixels, laser radiation limiters, laser radiation switches, welder's eye protection systems, polarization elements of airplane pilot blinds, containing as polarization base iodized polyvinyl alcohol with a low content of acetate groups, characterized in that in order to increase the surface mechan cal strength both surfaces of the film are structured silica nanoparticles by laser their application to the surface of films using CO ₂ laser and orientation in an electric field strength of 100-600 V / cm.