红外玻璃让世界更多彩

   光纤光缆行业都非常熟悉石英玻璃。常规光纤的技术非常成熟，成本很低，光学性能优良，机械性能也非常不错。对红外（IR）透光的玻璃接触的比较少。其实玻璃家族非常庞大，例如氟化物和硫族化物玻璃（非氧化物）也具有良好的光学性能。适合红外的应用场景也有很多，例如：红外成像、医学、天文学和生物应用传感器等。

   二氧化硅玻璃的优劣势：二氧化硅（SiO2）等氧化物玻璃，独特而卓越的性能统治着光学领域。覆盖了从紫外（UV）到可见光（visible）到近红外（NIR），红色是我们的视网膜敏感的区域。二氧化硅是出色的玻璃成型剂，材料的机械强度很高，也较好的抵御结晶和腐蚀。

   石英玻璃其实就是沙子SiO2玻璃有一个固有的缺点：波长超过3μm不透明。透明度的限制是由于Si-O化学键的高振动模式（high vibration mode）。为了研发出能够透射超过3μm波长的光学器件，要寻找化学成分较弱（weaker chemical bond）且由较重原子（heavier atoms）组成的新成分。氟化物（fluoride）和硫属化物玻璃有很好的优势。

   看看获得玻璃态材料基本标准是什么？必须具有聚合特性（polymeric character）；键角（bond angle）容易改变，才能熔融成粘稠的液体（viscous liquid）；通过共价键（covalent bonding）形成大分子。一般来说，高分子材料也可能是较大的阴离子（anion）。负电荷（negative charge）由在粘性液体中分布的一些大阳离子（large cations）补偿。这些大阳离子称为玻璃改性剂（modifier）。

   玻璃如何由原子组成？玻璃是一种“无序状态”以二氧化硅为例，二氧化硅以方晶石到石英的多种形式存在。仅因Si-O-Si角的值不同而形成不同状态，一般是通过角共享SiO4四面体形成的。所以当二氧化硅熔化时，原子不会选择某一方向，并保持液态的无序状态。使用氟化物玻璃或硫族元素玻璃等材料时，情况几乎相同。当在一定温度下冷却液体，液体就会转变为结晶固体。对于大多数液体来说都是如此。

    因此，其中一些液体拒绝遵循这一热力学定律。相反，它们变得越来越粘，直到粘度变为无限（viscosity becomes infinite）。获得的固体是冷冻液体（frozen liquid），这就是玻璃。根据不同的玻璃成分，冷却速度一般会要求很快，足够快，快到避免原子排列的任何排列，原子排列将使微晶成核。这一工艺是玻璃成型的核心！这种温度淬火过程（temperature quenching procedure）是靠经验的，这绝对是玻璃制造商的秘密之一。

   退火以后，获得的玻璃是冷冻液体或具有无限粘度的液体。显示出化学键是连续均匀的。作为透光材料：在紫外光中，由于与键合电子的相互作用而产生的固有吸收（intrinsic absorption），在红外区与基体的相互作用（interactions with the phonon of the matrix），中间这个波长区域中，并没有什么原因中断光线传播。

  玻璃与其他固体相比有一些独特的性能。可以把玻璃加热到称为玻璃化转变温度（Tg）的一个温度区域。高于Tg时，玻璃还记得自己是液体，后来变成塑料固体，其粘度随温度迅速变化。对粘度的控制是非常关键的，把控好玻璃的Tg就可以实现压模、制备光纤等复杂工艺。因为玻璃是不平衡的固体，所以玻璃的成型过程可能存在纳米晶体核的风险，纳米晶核会从玻璃基质中分离出来。部分结晶可能对光纤的传播有较大影响。根据玻璃的能量分布，这种无序的不平衡固体很容易转变为有序晶体。

   析晶现象是可以通过差示扫描量热法（differential scanning calorimetry）检测Tx（区分清楚Tx是洁净温度、Tg是玻璃态温度）结晶温度来确认。Tx-Tg之差是评估玻璃形状的标准。尽量控制和避免纳米晶体的生成，因为会在IR中散射光，成为IR光纤传输的障碍。