TWI397510B - 偏極光折射性玻璃 - Google Patents
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Description
本發明係關於玻璃組成份以及由該組成份製造出具有偏極以及光折射性之物體。特別地，本發明之玻璃組成份能夠促使人們製造玻璃物體，其具有完全地整體性偏極以及繞射特性於相同的玻璃元件中。
如在此所使用名詞光折射性效應定義係指光線接著熱處理會產生感應折射率變化。此通常稱為"光熱效應"以與傳統光折射性效應有所區分，其包括光線-感應電荷在分佈於非線性光學材料中以產生內部電場，由於光學非線性折射率產生局部變化。
繞射元件發現使用於廣泛各種領域中。例如，繞射光學元件使用作為濾波，光束成形以及光線收集於顯示器，安全，防衛，量測，形成影像以及通訊應用中。
一項特別有用的繞射光學元件為布拉格光柵。布拉格光柵藉由在透明材料中週期性調變折射率而形成。有效利用該效應為布拉格光柵，其反射滿足布拉格相位相匹配條件之光線，以及透射所有其他波長。布拉格光柵特別有用於通訊應
用中；例如其已使用作為多工/解多工應用中選擇性地反射濾波器；以及在色散補償應用中作為波長-相關脈衝延遲裝置。
布拉格光柵一般藉由將光敏性(光折射性)材料暴露於具有週期性強度輻射線圖案而製造出。許多光敏性材料已加以使用；不過很少提供所需要的性能以及價格方面之組合。例如，布拉格光柵已標記於摻雜鍺矽石玻璃光纖中，以及同時該光柵為相當強固，光纖幾何形狀以及材料之高熔融點使得這些光柵並不適合於許多光學系統。布拉格光柵亦已標記於光折射性晶體例如摻雜鐵鈮酸鋰中。這些濾波器在標記後具有狹窄頻帶之濾波性能，但是遭遇低熱學穩定性，紫外線區域不透明性，以及對可見光靈敏性之問題。
一般未偏極光線由許多電場以及磁場隨機地定向之波所構成，雖然對於每一波其為彼此相互垂直。假如所有電場以及因而所有磁場彼此平行對準之光線將線性地加以偏極。正常光線具有兩個偏極，垂直以及水平之組合，其由電場之方向決定出。換言之，所有光線為電磁波，係指波電場上下振盪於一個平面中，以及磁場上下振盪於垂直於電場之平面中。兩個平面相交線為光波沿著傳播之軸。偏極器為只允許具有特定指向電場之光線通過。
使用偏極器在通訊用途光纖中為重要的，特別是單模光纖。單模光纖能夠實際地運載具有相互垂直指向之模。具有圓形對稱性心蕊之光纖無法區分兩個線性偏極；即其無法產生係由於兩者功能性相當以及無法加以區別。假如光纖之圓形對稱為完美的，偏極對通訊影響非常小。不過，由於光纖
對稱並非完美，兩個偏極模會遭遇不同的條件以及以不同的速度沿著光纖運行。此將導致所謂"偏極模色散"，其會在高性能系統中產生問題。因而，只有具有單偏極光線透射通過光纖為需要的。
玻璃偏極器，材料組成份以及製造玻璃之方法以及由玻璃製造出物體已說明於許多美國專利中。產品以及組成份已說明於美國專利編號6563639,6466297,6775062,5729381,5627114,5625427,5517356,5430573,4125404以及2319816，以及美國專利申請公告編號2005/0128588中。
製造偏極玻璃組成份及/或含銀組成份之方法，及/或由偏極或含銀玻璃製造出物體已說明於美國專利編號6536236,6298691,4479819,4304584,4282022,4125405,4188214,4057408,4017316，以及3653863中。在紅外線波長下為偏極之玻璃物體已說明於美國專利編號5430573,5332819,5300465,5281562,5275979,5045509,4792535，及4479819中；以及在其他美國專利編號6313947以及歐洲專利EP0719741中。歐洲專利公告案說明銅為主偏極玻璃而非銀為主偏極玻璃。其他美國專利說明玻璃光學偏極器以及其配製方法說明於美國專利編號3540793(Araujo等人)，以及4304584以及4479819(兩個專利均為Borrelli等人)中。
依靠Ce3+/Ag+氧化還原之光敏性/光折射性玻璃已被提出作為形成繞射光學元件之基板。例如，美國專利編號4979975(Borrelli)揭示出光敏性玻璃以氧化物重量百分比為
基準含有大約14-18% Na2
O,0-6% ZnO,6-12% Al2
O3
,0-5% B2
O3
,65-72% SiO2
以及0-0.2% Sb2
O3
,0.007-0.04% Ag以及0.008-0.005% CeO2
,0.7-1.25% Br以及1.5-2.5% F。在這些材料中，暴露於輻射線(λ~366nm)使Ag+
光還原為懸浮性Ag0
，以及Ce3+
成為Ce4+
，其在後續熱處理步驟中作為NaF相結晶之晶核。這些玻璃在波長小於300nm下具有非常高吸收性，使其不適合使用於一般所使用248nm準分子雷射照射系統。
目前，Elfimov等人之美國專利編號6673497以及5586141說明NaF-為主光敏性玻璃，其藉由適當的照射以及熱學發展以在近紅外線中產生折射率變化，其拌隨發展NaF相。玻璃組成份落於先前段落引述Borrelli參考文獻所說明之組成份內。該效應打開應用於光學裝置為主由於光折射性效應之可能性，其範例包括布拉格光柵以及全像攝影元件。由Glebov等人所揭示出特定組成份非常類似於Borrelli等人之組成份。如上述所揭示，在玻璃中重要的成份為Ce+3
(光敏劑)，Ag+
(光學晶核)，以及F之濃度，後者控制NaF數量，其能夠產生以及因而可能感應折射率變化為最大數量。為了在玻璃中達成光敏性/光折射性效應玻璃，Glebov之處理過程類似上述說明Borrelli之參考文獻，包括暴露於300nm附近或較大波長之光線，接著進行520℃熱處理歷時2小時。
雖然上述專利說明為偏極性或光折射性/光敏性之玻璃，並未說明具有不同偏極以及光折射性/光敏性兩者之玻璃。目前，為了繞射光線以及偏極光線兩者，需要兩個各別元件。即，人們必需使用繞射光柵元件以及偏極器元件兩者。本
發明達成玻璃組成份能夠使用來製造物體或元件之需求，其能夠在單元件或物品內達成或呈現出光折射性效應以及偏極效應兩者。
在此所說明所有實施例中，本發明係關於含有銀鹵化物之玻璃組成份，其能夠使用來製造物體或元件，其具有光折射性以及偏極性兩者之物體(即，"光折射性偏極玻璃組成份")；由玻璃製造出之光折射性偏極物體或元件；以及製造光折射性偏極玻璃以及光折射性偏極物體。在一項實施例中，本發明係關於玻璃組成份實質上以重量百分比表示("wt%")包含70-73% SiO2
,13-18% B2
O3
,8-10% Na2
O,2-4% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,0.1-0.3% Br；以及更進一步由玻璃組成份製造出整體性光折射性偏極物品或元件。在另一實施例中玻璃具有組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含70-73% SiO2
,13-18% B2
O3
,7-10% Na2
O,2-4% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,0.1-0.3% Br。
在其他實施例中，本發明係關於光折射性偏極玻璃組成份實質上包含71.1±0.5% SiO2
,14.7±0.5% B2
O3
,9.3±0.5% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.005±0.1% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,0.1-0.3% Br；以及更進一步關於由玻璃組成份製造出整體性光折射性偏極物品或元件。
在其他實施例中，本發明係關於玻璃具有組成份實
質上以重量百分比表示("wt.%")包含70-73% SiO2
,13-18% B2
O3
,7-10% Na2
O,2-4% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,>0.0-<0.03鹼土金屬氧化物(選自於群組包含CaO,BaO,SrO以及Mg，以及其混合物)以及0.1-0.3% Br；以及更進一步關於由玻璃組成份製造出整體性光折射性偏極物品或元件。在一些實施例中，鹼土金屬氧化物為CaO。
在另一實施例中，本發明係關於玻璃具有組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含71±1% SiO2
,15.5-17.5% B2
O3
,7-9% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3 CaO以及0.1-0.3% Br；以及更進一步關於由玻璃組成份製造出整體性光折射性偏極物品或元件。
在另一實施例中，玻璃組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含71.7±0.5% SiO2
,15.8-17.2% B2
O3
,7.2-8.5% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0.0-<0.03% CaO(或其他鹼土金屬氧化物例如MgO,BaO以及SrO)，以及0.1-0.3% Br，以及更進一步關於由玻璃組成份製造出整體性光折射性偏極物品或元件。
在本發明所有實施例中，組成份具有"R數值"在0.3-0.65範圍內，優先地在0.35至0.60範圍內。在本發明所有實施例中，組成份含有至少一種鹵素選自於包含氯以及溴之群組。
本發明亦關於偏極玻璃光學元件或物體，其中玻璃之折射率能夠藉由將玻璃或玻璃經選擇部份施加150-400nm
波長範圍之紫外線輻射線("UV")而加以變化。在一項特定實施例中，本發明係關於偏極繞射光柵。光學元件或物體含有至少一層偏極層。
在另一實施例中，本發明係關於玻璃物體或元件，其在相同的玻璃物件中為光折射性以及偏極性；即物體或元件具有整體性光折射性以及偏極特性以及由單一玻璃組成份製造出。該形式玻璃能夠加以使用以製造物品或元件，其為完全地整體性光線偏極器以及繞射元件。能夠使用本發明之玻璃製造出物體或元件形式之範例包含非限制性之布拉格光柵，濾波物體，以及光束成形以及光線收集物體以使用於顯示器，安全，防衛，量測，形成影像以及通訊應用中。
本發明亦關於光折射性以及偏極性兩者之光學元件，其包含含有銀鹵化物之玻璃以及折射率圖案形成於含有銀鹵化物之玻璃材料中，折射率圖案包括高折射率之區域以及低折射率之區域；以及玻璃為光折射性以及偏極性兩者。所謂"高折射率之區域"以及"低折射率之區域"係指玻璃內具有可量測不同的折射率之區域，其由於"光折射性照射"以及後續第二熱處理所致，如在此所說明。
本發明更進一步係關於製造光折射性偏極玻璃元件或物品之方法，方法包含下列步驟：提供含有銀鹵化物之玻璃組成份，其能夠具有光折射性以及偏極兩者特性(特性並未發展出持續到處理過程完成之後)；成形玻璃組成份為適合再抽拉之形狀；將成形玻璃在575-725℃溫度範圍內施以第一熱處理歷時1-4小時以在玻璃中形成銀鹵化物顆粒；在抽拉溫度下
再抽拉玻璃，其允許玻璃黏滯係數大於106
泊以及拉引速度足以施加力量大於3500psi以拉伸銀顆粒；在玻璃上進行光折射性照射；藉由將再抽拉玻璃暴露於190-360nm範圍之UV輻射線歷時1分鐘至7小時範圍；將光折射性照射玻璃在400-500℃溫度範圍內進行第二熱處理歷時1-4小時；以及將玻璃在390-430℃溫度範圍內進行第二熱處理歷時1-4小時；以及將玻璃在390-430℃溫度範圍內進行氫還原歷時1-6小時，因而形成玻璃物品，其為偏極光折射性玻璃元件或物品，該物品具有至少一層偏極玻璃層。在一項實施例中，第二熱處理在450-500℃溫度範圍下實施歷時1-4小時。至少一層偏極層之厚度為40μm或更小。偏極層之厚度能夠藉由增加還原時間，氫氣壓力，或兩者而增加。
20‧‧‧玻璃物品或元件
22‧‧‧AgX晶體
24‧‧‧拉伸AgX顆粒
26‧‧‧圖案
28‧‧‧偏極層
100‧‧‧入射雷射光束
110‧‧‧第0階光束
120‧‧‧第一階繞射光束
圖1顯示出本發明之玻璃組成份之折射率("n")變化為暴露於Nd：YAG雷射時間之函數。
圖2顯示出本發明玻璃在H2
還原以及在575℃下熱處理之前及之後的吸附性。
圖3顯示出在不同的溫度下熱處理接著進行再抽拉之後玻璃試樣偏極透射。
圖4顯示出形成在本發明玻璃上光柵之繞射。
圖5A至5D顯示出依據本發明製造偏極折射性物品處理過程所使用之步驟。
本發明係關於玻璃組成份，其能夠使用來製造玻璃物體具有偏極以及光折射性兩者特性，以及更進一步關於玻璃光學元件或物體，其呈現出偏極特性以及亦折射率變化兩者以回應暴露於紫外線輻射線接著進行熱處理。本發明之玻璃組成份因而能夠促使人們製造玻璃物體或元件，其在相同的玻璃元件中具有完全地整體性偏極以及繞射特性。如在此所使用所謂"光折射性效應"，"光折射性玻璃"或"偏極光折射性玻璃"係指在玻璃中存在感應折射率變化，其由於玻璃施加紫外線接著熱處理而產生。通常稱為"光熱效應"與傳統光折射性效應有所區別。在此所有百分比為以重量百分比表示("wt.%")。轉變性名詞"實質上包含"限制特定材料或步驟之請求範圍"以及並不會實質地影響本發明基本以及新穎的特性"。即，如在此所使用名詞"實質上包含"係指在此引述玻璃組成份或方法含有特定元件，步驟或成份如所指示以及排除其他元件，步驟或成份，其將實質地影響玻璃之基本以及新穎的特性，其表示本發明組成份玻璃能夠製造為具有光折射性以及偏極性之單一物品。如在此所使用，所謂"偏極光折射性玻璃組成份"，"光折射性偏極玻璃組成份"以及類似名詞係指玻璃能夠使用來形成物品，其在處理過程後具有偏極以及光折射性兩者特性，如在此所說明。
如業界所說明，偏極效應產生於鋁硼矽酸鹽玻璃中，其含有銀，銅或銅-鎘體，藉由拉伸玻璃以及在將拉伸玻璃暴露於還原性大氣，通常為含有氫之大氣。在高於玻璃退火溫度之
溫度下及在承受應力下放置玻璃。此將拉伸玻璃，以及因而拉伸以及定向晶體。作用顆粒上剪應力與玻璃之黏滯係數以及拉伸過程中抽拉速度成正比。異於由於剪力變形之回復力量與顆粒半徑成反比。因而，製造所需要顆粒拉伸程度以及在某一波長下導致偏極效應之最佳條件包括一些玻璃特性以及再抽拉處理過程之複雜平衡。一旦玻璃被拉伸，拉伸玻璃物品再暴露於溫度高於120℃之還原性大氣，但是並不高於玻璃退火點25℃。此將發展出表面層，其中存在於玻璃中至少部份金屬鹵化物晶體被還原性為元素性銀或銅。
偏極玻璃之製造說明於許多專利文獻中以及廣泛地包括下列四個步驟：熔融玻璃配料，其含有銀以及異於氟鹵素之來源以及形成玻璃物體或由熔融物形成；在溫度高於玻璃應變點下熱處理玻璃物體以產生鹵化物晶體，其具有尺寸在500-2000埃範圍內；在溫度高於玻璃退火點下在承受應力下拉伸含有鹵化物晶體之玻璃物體以拉伸以及定向晶體；以及將拉伸物體暴露於在溫度在250℃至500℃範圍內還原性大氣以發展出還原表面層於物體上，其含有金屬顆粒並具有長寬比至少為2：1。
光折射性玻璃為在玻璃材料中藉由將該玻璃材料暴露於光線接著作熱處理而導致折射率變化之玻璃。在本發明組成份中，引起折射率變化所需要之光線為在紫外線範圍內。如說明於美國專利編號4979975中，光折射性玻璃藉由熔融玻璃配料而配製出，該玻璃配料包含矽石，鋅，鋁，鈰，硼，銻以及鈉以及額外銀，氟以及溴之氧化物。熔融物冷卻至溫度低於玻璃
之轉變溫度以及同時地形成為所需要幾何形狀之玻璃物體。至少部份玻璃再暴露於紫外線輻射線，其波長在300-355nm範圍內以及再加熱至溫度低於玻璃之軟化點以允許NaF相發展出。最後，玻璃冷卻至室溫。雖然該玻璃為光折射性，但是其無法同時具有光折射性以及偏極兩者特性，此由於存在氟以及鈰所致，將更進一步說明於底下。
雖然偏極玻璃以及光折射性玻璃為業界已知的，並未已知玻璃具有偏極以及光折射性兩者特性。
本發明係關於偏極光折射性玻璃，其具有組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含70-73% SiO2
,13-17% B2
O3
,8-10% Na2
O,2-4% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,0.1-0.3% Br，以及更進一步關於由玻璃組成份製造出偏極光折射性物品或元件。在另一實施例中，玻璃具有組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含70-73% SiO2
,13-18% B2
O3
,7-10% Na2
O,2-4% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,0.1-0.3% Br。在此所說明配製玻璃組成份中，除了金屬Cu以及Ag之外，在配製玻璃組成份中使用先前任何所說明之任何氧化物，金屬碳酸鹽，硝酸鹽，氫氧化物以及其水合物，或混合物。雖然Cu以及Ag能夠能夠加入為金屬碳酸鹽，氫氧化物以及水合物，優先地其加入為鹵化物(只有Br,Cl)，硝酸鹽，亞硝酸鹽或其他業界已知使用作為製造偏極玻璃之的複合物。氟化物並不包含於鹵素中因為其使用將導致玻璃組成份並不具有偏極以及光折射性兩者特性。干擾玻璃具有偏極以及光折射性兩者特性或導致色彩玻璃之元素將
排除。額外地本發明之玻璃不能含有鈰。其他元素存在數量為污染數值；例如限制性鋰，鐵以及鉀。
在其他實施例中，偏極光折射性玻璃具有組成份實質上以重量百分比表示包含71.1±0.5% SiO2
,14.7±0.5% B2
O3
,9.3±0.5% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,0.1-0.3% Br，以及更進一步關於由玻璃組成份製造出物品或元件。額外組成份為玻璃實質上以重量百分比表示包含71±1% SiO2
,15.5-17.5% B2
O3
,7-9% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag以及0.1-0.3% Br；以及71.7±0.5% SiO2
,15.8-17.2% B2
O3
,7.2-8.5% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag，以及0.1-0.3% Br。
氟化物並不包含鹵素中，因為其使用將導致玻璃組成份並不具有偏極以及光折射性兩者特性。額外地本發明之玻璃並不含有鈰。其他元素可以污染值存在；例如非限制性鋰，鐵以及鉀。
在其他實施例中，本發明係關於含有銀鹵化物之玻璃，其組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含70-73% SiO2
,13-18% B2
O3
,7-9% Na2
O,2-4% Al2
O3
,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.10.5% Ag,>0-<0.3%鹼土金屬氧化物，以及0.1-0.3% Br，以及更進一步關於由玻璃組成份製造出物品或元件。
在另一實施例中，本發明係關於含有銀鹵化物之玻璃，其組成份實質上以重量百分比表示("wt.%")包含71±1%
SiO2
,15.5-17.5% B2
O3
,7-9% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3% CaO，以及0.1-0.3% Br，以及更進一步關於由玻璃組成份製造出物品或元件。
在另一實施例中，玻璃組成份以重量百分比表示("wt.%")包含71.7±0.5% SiO2
,15.8-17.2% B2
O3
,7.2-8.5% Na2
O,3±0.5% Al2
O3
,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05%Ag,>0-<0.3% CaO(或其他鹼土金屬氧化物例如MgO,BaO以及SrO)，以及0.1-0.3% Br。
在本發明所有實施例中，本發明組成份具有"R數值"在0.3-0.65範圍內，優先地在0.35至0.60範圍內。在本發明所有實施例中，組成份含有至少一種鹵素，其選自於包含氯以及溴群組。
在另一實施例中，本發明係關於玻璃物體，其在相同玻璃物件中具有光折射性以及偏極兩者特性。該形式玻璃使用來製造物品或元件，其為完全地整體性光線偏極器以及繞射元件。能夠使用本發明玻璃製造出物體形式之範例包含非限制性布拉格光柵，濾波物體，以及光束成形以及光線收集物體以使用於顯示器，安全，防衛，量測，形成影像以及通訊應用中。
作為範例，本發明非限制性玻璃組成份以及物品藉由將矽，硼，鋁以及鈉之氧化物，碳酸鹽，氫氧化物及/或水合物(或其混合物)混合在一起，球研磨混合物，添加銀以及銅硝酸鹽溶液形式，以及添加溶液形式之氯化物以及溴化物。在所有材料完全地混合後，混合物再放置於適當的容器中(例如，鉑坩堝)，加以熔融，以及再鑄造或擠製為適合再抽拉形式(例如，條狀
物)。
使用條狀物作為範例，條狀物加熱至575-750℃溫度範圍內(第一熱處理)歷時1-6小時範圍以在玻璃中發展出AgX(X=Cl及/或Br)相。在另一實施例中，熱處理時間在1-4小時範圍內。熱處理玻璃條狀物在一些條件下再抽拉，其中抽拉溫度允許玻璃黏滯係數大於106
泊以及拉引速度足以施加大於3500psi(>3500psi)力量以拉伸AgX相具有長寬比至少為2：1以及優先地至少為5：1。熱處理一般實施於溫度接近(在25-50℃內)玻璃組成份軟化點。
在處理過程中該點處，玻璃並不具有顏色，材料為透明的以及在玻璃中AgX晶體已被拉伸。拉伸由玻璃強烈雙折射性圖案顯現出，玻璃具有在此所說明之組成份。一旦再抽拉完成，玻璃能夠進行切割，鋸斷或其他方式形成尺寸適合預期用途之物品或元件(試樣)。
接續再抽拉以及試樣件配製，在試樣上使用190-360nm範圍內UV輻射線(例如使用操作於193,248,266或355nm雷射)實施"光折射性照射"。玻璃試樣暴露於UV輻射線，其使用248nm之10Hz雷射操作功率約為1W/mm2
歷時1-10分鐘或355nm之10Hz雷射操作功率為1-2 W/mm2
歷時1-7小時。照射能夠進行於所有或部份玻璃試樣，其決定於預期最終用途。例如，假如試樣預期製造成繞射光柵例如為布拉格光柵，只有經選擇部份玻璃暴露於UV輻射線。"光折射性照射"使用光遮罩(亦稱為相位遮罩)達成。遮罩能夠塗覆於整個玻璃試樣或塗覆至任何部份試樣。因而，人們能夠產生試樣，其中光
折射性效應遍佈於整個試樣或經選擇部份試樣。
相位遮罩為市場上可取得；例如由Ibsen Photonics(Farum,Denmark),StockerYale(Salem,NH)，以及O/E Land,Inc.(Saint Laurent,Quebec,Canada)提供。在光折射性照射步驟後，試樣並不具有顏色，以及AgX晶體被拉伸以及不再球形化。圖1顯示出折射率變化("△n")為時間之函數，其發生於本發明玻璃暴露於633nm下操作Nd：YAg雷射之UV輻射線以及熱處理如上述說明之後。
接續"光折射性照射"，試樣再作第二熱處理以發展光折射性效應。第二熱處理實施於400-500℃溫度範圍內歷時1-4小時。在一項實施例中，第二熱處理實施於450-500℃溫度範圍內歷時1-4小時。該第二熱處理實施於500℃溫度或更低溫度下以避免拉伸AgX顆粒再球形化。
接續第二熱處理，試樣在390-450℃溫度範圍內之H2
大氣中進行還原歷時1-6小時。在一項實施例中，接續第二熱處理，試樣在390-430℃溫度範圍內之H2
大氣中進行還原歷時1-6小時。優先地還原時間在2-4小時範圍內。H2
處理能夠延長歷時較長及/或在壓力下實施以控制拉伸AgX顆粒H2
還原之深度。使用控制溫度以控制偏極器對比比值。在390-430℃以及1-5大氣壓H2
壓力下熱處理歷時2-4小時，優先地為1-2大氣壓，產生偏極層厚度為40μm或更小，通常在20-40μm範圍內。在壓力大於10大氣壓下氫還原能夠產生偏極器具有偏極層厚度大於50μm。在還原後，試樣具有光折射性以及偏極兩者特性。
在第一熱處理過程中形成銀鹵化物晶體對製造具有光折射性以及偏極兩者特性之玻璃為關鍵的。此優先地在575-725℃溫度範圍內歷時1-4小時達成。最終產物為具有光折射性以及偏極兩者特性之整體性物體或元件，在玻璃中存在銀鹵化物晶體能夠不具二向色或光折射性效應(但是銀鹵化物顆粒尺寸必需為較大以產生二向色效應)。因而，在最終產物中光折射性效應遍及整個試樣(物體或元件)或經選擇部份試樣，其決定於遮罩所塗覆之處，除了薄偏極層外，其中銀鹵化物顆粒被還原以形成銀顆粒，其會產生偏極效應。最終產物為具有光折射性以及偏極兩者特性之整體性物體或元件。
依據本發明玻璃之偏極透射頻譜顯示於圖3中。兩個玻璃試樣被配製出。一個試樣在720℃下作第一熱處理以及第二試樣在675℃下作第一熱處理。試樣再作抽拉，在在390-430℃溫度範圍內之H2
大氣中進行還原歷時2-4小時。偏極透射頻譜再加以量測以及顯示於圖3中，其清楚地顯示兩個玻璃試樣為偏極性。
除了量測本發明玻璃之偏極透射頻譜，測定出代表試樣之"R數值"。R數值定義為網狀結構改良劑("M")減去礬土("A")與硼氧化物("B")之莫耳百分比；即：R=(M-A)÷B
本發明偏極光折射性玻璃具有R數值在0.3-0.65範圍內。在優先實施例中，R數值在0.35至0.60範圍內。玻璃具有R數值在先前範圍內為清澈的以及具有偏極以及光折射性兩者特性，然而具有R數值在範圍之外玻璃為具有顏色或假如
為清澈的則不具偏極以及光折射性兩者特性。作為計算R數值用途，改良劑考慮為大部份單價以及雙價離子化(例如，+1以及+2)元素。網狀結構改良劑為組成份中大部份鹼金屬以及鹼土金屬元素之氧化物。元素例如為Sn,As以及Sb能夠為+2或+4狀態，亦能夠作為改良劑，只要其並不會使玻璃產生顏色。網狀結構改良劑並不包含矽石，鹵化物，或過渡金屬，除了當過渡金屬(例如，銅以及銀)存在量並不會使玻璃產生顏色。因而，除了鹼金屬以及鹼土金屬元素，網狀結構改良劑能夠包含Ag以及過渡金屬例如Cu,Co,Mn,V,Cr,Ni,Fe等，假如該金屬會使玻璃產生顏色，只要該金屬數量保持之數值使得其並不會使玻璃產生顏色。硼("B")，磷("P")，鍺("Ge")以及矽為網狀結構形成元素，以及B,P以及Ge能夠某種程度替代Si，只要R數值保持在特定限制範圍內。最後，其他元素能夠視為"中間的"，Al,Pb,Zn,Zr以及Ti能夠作為網狀結構形成劑或網狀結構改良劑，其決定於其相對濃度。Pb,Zn,Zr以及Ti當為低濃度(低於1wt.%)時為一般改良劑。關於Al，只要鹼金屬以及鹼土金屬總量超過Al(即R>0),Al作為網狀結構形成劑。
圖4為彩色相片灰階再製圖，其顯示出在本發明玻璃上形成光柵之繞射。圖3所使用相同的720℃熱處理玻璃之試樣在經歷再抽拉後，使用355nm,10Hz,1-2W/mm2
雷射照射歷時7小時作光折射性照射。在完成光折射性照射後，玻璃在450℃下作第二熱處理以發展光折射性照射。隨即，試樣在450℃氫大氣中還原以及測定繞射效應以及顯示於圖4中。感應折射率(如圖1所示△n)產生1-2x10-5
數值。在圖4中，入射雷射光
束標示為100，第0階光束標示為110以及第一階繞射之光束標示為120。第一階繞射光束為微弱的以及難以在灰階複製圖像中看到(並非彩色相片)。因而，為了使其在圖4中可看到，其以圓形面積表示，以及在其範圍內。
圖5A-5D顯示出經由上述逐一步驟進行時之玻璃物品。圖5A顯示出玻璃物品或元件20，其具有在575-625℃下第一熱處理後發展出AgX晶體22。圖5B顯示出在再抽拉後玻璃物品20具有拉伸之AgX顆粒24。圖5C顯示出在再抽拉後以及在"光折射性照射"後具有圖案之玻璃物品20，圖案以黑色粗線26表示。AgX顆粒並未顯示於圖5C中。圖5D顯示出在"光折射性照射"後具有圖案之玻璃物品20，其以線26表示，以及在H2
處理後具有偏極層28(陰影面積)。圖案線26延伸於偏極層(區域)28內。在非偏極層中AgX顆粒並不顯示於圖5D中以及Ag0
顆粒由陰影線層28表示。並不受到任何理論之限制，光折射性效應包括AgX，其方式在此時並不十分清楚地被人了解。
本發明亦關於具有光折射性以及偏極兩者特性之光學元件或物品，其由在此所說明含有銀鹵化物之玻璃組成份製造出。折射率圖案形成於含有銀鹵化物之玻璃材料中，折射率圖案包括高折射率之區域以及低折射率之區域。光學元件亦具有至少一層偏極層。
熟知此技術者瞭解本發明能夠作許多變化及改變而並不會脫離本發明之精神及範圍。預期本發明含蓋本發明各種變化及改變，其屬於下列申請專利範圍以及同等物範圍內。
Claims (20)
- 一種光折射性偏極玻璃組成份，其實質上以重量百分比表示包含70-73% SiO2 ,13-18% B2 O3 ,7-10% Na2 O,2-4% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag，以及0.1-0.3% Br，其中該組成份適合製造具有偏極以及光折射性兩者特性之物品或元件。
- 依據申請專利範圍第1項之光折射性偏極玻璃組成份，其中玻璃具有R數值在0.3-0.65範圍內。
- 依據申請專利範圍第1項之光折射性偏極玻璃組成份，其中玻璃具有R數值在0.35-0.60範圍內。
- 依據申請專利範圍第1項之光折射性偏極玻璃組成份，其中該組成份實質上以重量百分比表示包含71.1±0.5% SiO2 ,14.7±0.5% B2 O3 ,9.3±0.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag，以及0.1-0.3% Br；以及該玻璃具有R數值在0.35-0.60範圍內。
- 依據申請專利範圍第1項之光折射性偏極玻璃組成份，其中該組成份實質上以重量百分比表示包含71±1% SiO2 ,15.5-17.5% B2 O3 ,7-9% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0,01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag以及0.1-0.3% Br；以及該玻璃具有R數值在0.35-0.60範圍內。
- 依據申請專利範圍第1項之光折射性偏極玻璃組成份，其中該組成份實質上以重量百分比表示包含71.7±0.5% SiO2 ,15.8-17.2% B2 O3 ,7.2-8.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag，以及0.1-0.3% Br；以及該玻璃具有R數值在0.35-0.60範圍內。
- 一種偏極光折射性玻璃組成份，其實質上以重量百分比表示包含70-73% SiO2 ,13-18% B2 O3 ,7-10% Na2 O,2-4% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,>0-<0.3%鹼土金屬氧化物，以及0.1-0.3% Br，該組成份適合製造具有偏極以及光折射性兩者特性之物品或元件；以及該組成份具有R數值在0.3-0.65範圍內。
- 依據申請專利範圍第7項之偏極光折射性玻璃組成份，其中該組成份以重量百分比表示為71±1% SiO2 ,15.5-17.5% B2 O3 ,7-9% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3%CaO以及0.1-0.3% Br，其中該組成份具有R數值在0.35-0.60範圍內。
- 依據申請專利範圍第7項之偏極光折射性玻璃組成份，其中 該組成份以重量百分比表示為71.7±0.5% SiO2 ,15.8-17.2% B2 O3 ,7.2-8.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3% CaO以及0.1-0.3% Br；其中該組成份具有R數值在0.35-0.60範圍內。
- 一種光學元件，其包含：含有銀鹵化物之玻璃組成份；以及在含有銀鹵化物之玻璃材料中形成折射率圖案，折射率圖案包括高折射率之區域以及低折射率之區域；至少一層偏極層；以及該光學元件為具有光折射性以及偏極兩者特性；其中該玻璃組成份實質上包含70-73% SiO2 ,13-18% B2 O3 ,7-10% Na2 O,2-4% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag，以及0.1-0.3% Br，並且該玻璃具有R數值在0.3-0.6範圍內。
- 依據申請專利範圍第10項之光學元件，其中該含銀之玻璃為玻璃且該玻璃實質上以重量百分比表示包含71.1±0.5% SiO2 ,14.7±0.5% B2 O3 ,9.3±0.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag，以及0.1-0.3% Br；其中該玻璃具有R數值在0.3-0.65範圍內。
- 依據申請專利範圍第10項之光學元件，其中該含銀之玻璃 為玻璃且該玻璃實質上以重量百分比表示包含70-73% SiO2 ,13-18% B2 O3 ,7-10% Na2 O,2-4% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,>0-<0.3%鹼土金屬氧化物以及0.1-0.3% Br。
- 依據申請專利範圍第10項之光學元件，其中該含銀之玻璃為玻璃且該玻璃實質上以重量百分比表示包含71±1% SiO2 ,15.5-17.5% B2 O3 ,7-9% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3% CaO以及0.1-0.3% Br。
- 依據申請專利範圍第10項之光學元件，其中該含銀之玻璃為玻璃且該玻璃實質上以重量百分比表示包含71.7±0.5% SiO2 ,15.8-17.2% B2 O3 ,7.2-8.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3% CaO以及0.1-0.3% Br。
- 依據申請專利範圍第10項之光學元件，其中該元件選自於包含布拉格光柵，濾波元件，光束成形元件以及光線收集元件之群組。
- 一種製造光折射性偏極玻璃物品或元件之方法，該方法包含下列步驟：提供玻璃組成份，該玻璃組成份具有光折射性以及偏極兩 者特性，該玻璃組成份實質上以重量百分比表示包含70-73% SiO2 ,13-18% B2 O3 ,7-10% Na2 O,2-4% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag，以及0.1-0.3% Br，以及具有R數值在0.3-0.65範圍內；成形玻璃組成份為適合作再抽拉之形狀；將成形之玻璃施以第一熱處理於575-725℃溫度範圍下歷時1-4小時以在玻璃中形成銀鹵化物顆粒；在抽拉溫度以及拉引速度下再抽拉玻璃，該抽拉溫度允許玻璃黏滯係數大於106 泊，以及該拉引速度足以施加大於3500psi力量，以拉伸銀鹵化物顆粒；在玻璃上進行光折射性照射，其係藉由將再抽拉玻璃暴露於190-360nm範圍內UV輻射線歷時1分鐘至7小時；將光折射性照射玻璃施以第二熱處理於400-500℃溫度範圍內歷時1-4小時；以及在390-450℃溫度範圍內玻璃進行氫還原歷時1-6小時以產生至少一層偏極層以及因而形成玻璃物品，該玻璃物品為偏極光折射性玻璃物品；其中氫還原偏極層之厚度為40μm或更小，並且該物品具有光折射性以及偏極兩者特性。
- 依據申請專利範圍第16項之方法，其中提供具有光折射性以及偏極特性兩者特性之玻璃組成份係意謂提供玻璃組成份且該玻璃組成份實質上以重量百分比表示包含71.1±0.5% SiO2 ,14.7±0.5% B2 O3 ,9.3±0.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag，以及0.1-0.3% Br。
- 依據申請專利範圍第16項之方法，其中提供具有光折射性以及偏極特性兩者特性之玻璃組成份係意謂提供玻璃組成份且該玻璃組成份實質上以重量百分比表示包含70-73% SiO2 ,13-18% B2 O3 ,8-10% Na2 O,2-4% Al2 O3 ,0.005-0.1% CuO,<0.4% Cl,0.1-0.5% Ag,>0-<0.3鹼土金屬氧化物以及0.1-0.3% Br。
- 依據申請專利範圍第16項之方法，其中提供具有光折射性以及偏極特性兩者特性之玻璃組成份係意謂提供玻璃組成份且該玻璃組成份實質上以重量百分比表示包含71±1% SiO2 ,15.5-17.5% B2 O3 ,7-9% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3 CaO氧化物以及0.1-0.3% Br。
- 依據申請專利範圍第16項之方法，其中提供具有光折射性以及偏極特性兩者特性之玻璃組成份係意謂提供玻璃組成份且該玻璃組成份實質上以重量百分比表示包含71.7±0.5% SiO2 ,15.8-17.2% B2 O3 ,7.2-8.5% Na2 O,3±0.5% Al2 O3 ,0.01±0.005% CuO,<0.4% Cl,0.33±0.05% Ag,>0-<0.3 CaO氧化物以及0.1-0.3% Br。
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