光纖光纜行業都非常熟悉石英玻璃。常規光纖的技術非常成熟（連結：光纖歷史），成本很低，光學效能優良，機械效能也非常不錯。對紅外（IR）透光的玻璃接觸的比較少。其實玻璃家族非常龐大，例如氟化物和硫族化物玻璃（非氧化物）也具有良好的光學效能。
這幾天學習一下紅外多組分玻璃的效能；也找一找適合紅外的應用場景，例如紅外成像、醫學、天文學和生物應用感測器等。
二氧化矽玻璃的優劣勢：
二氧化矽（SiO2）等氧化物玻璃，獨特而卓越的效能統治著光學領域。覆蓋了從紫外（UV）到可見光（visible）到近紅外（NIR），紅色是我們的視網膜敏感的區域。二氧化矽是出色的玻璃成型劑，材料的機械強度很高，也較好的抵禦結晶和腐蝕。
石英玻璃其實就是沙子
SiO2玻璃有一個固有的缺點：波長超過3μm不透明。透明度的限制是由於Si-O化學鍵的高振動模式（high vibration mode）。
為了研發出能夠透射超過3μm波長的光學器件，要尋找化學成分較弱（weaker chemical bond）且由較重原子（heavier atoms）組成的新成分。氟化物（fluoride）和硫屬化物（chalcogenide，連結：硫系玻璃（Chalcogenide glasses）成為紅外應用的關鍵技術）玻璃有很好的優勢。
看看獲得玻璃態材料基本標準是什麼？
- 必須具有聚合特性（polymeric character）；
- 鍵角（bond angle）容易改變，才能熔融成粘稠的液體（viscous liquid）；
- 透過共價鍵（covalent bonding）形成大分子。
一般來說，高分子材料也可能是較大的陰離子（anion）。負電荷（negative charge）由在粘性液體中分佈的一些大陽離子（large cations）補償。這些大陽離子稱為玻璃改性劑（modifier）。
玻璃如何由原子組成？玻璃是一種“無序狀態”
以二氧化矽為例，二氧化矽以方晶石到石英的多種形式存在。僅因Si-O-Si角的值不同而形成不同狀態，一般是透過角共享SiO4四面體形成的。
所以當二氧化矽熔化時，原子不會選擇某一方向，並保持液態的無序狀態。使用氟化物玻璃或硫族元素玻璃等材料時，情況幾乎相同。當在一定溫度下冷卻液體，液體就會轉變為結晶固體。對於大多數液體來說都是如此。
因此，其中一些液體拒絕遵循這一熱力學定律。相反，它們變得越來越粘，直到粘度變為無限（viscosity becomes infinite）。獲得的固體是冷凍液體（frozen liquid），這就是玻璃。根據不同的玻璃成分，冷卻速度一般會要求很快，足夠快，快到避免原子排列的任何排列，原子排列將使微晶成核。這一工藝是玻璃成型的核心！這種溫度淬火過程（temperature quenching procedure）是靠經驗的，這絕對是玻璃製造商的秘密之一。
我們以前還聊過“魯伯特之淚”，就是透過快速降溫，形成特殊的結構，改變玻璃的特性（連結：光纖，你拉不斷）。
退火以後，獲得的玻璃是冷凍液體或具有無限粘度的液體。顯示出化學鍵是連續均勻的。作為透光材料：在紫外光中，由於與鍵合電子的相互作用而產生的固有吸收（intrinsic absorption），在紅外區與基體的相互作用（interactions with the phonon of the matrix），中間這個波長區域中，並沒有什麼原因中斷光線傳播。
玻璃的Tg點
玻璃與其他固體相比有一些獨特的效能。可以把玻璃加熱到稱為玻璃化轉變溫度（Tg）的一個溫度區域。高於Tg時，玻璃還記得自己是液體，後來變成塑膠固體（橡膠態，我們之前聊過一次花生米的故事，連結：玻璃轉化溫度），其粘度隨溫度迅速變化。對粘度的控制是非常關鍵的，把控好玻璃的Tg就可以實現壓模、製備光纖等複雜工藝。
因為玻璃是不平衡的固體（out-of-equilibrium solid），所以玻璃的成型過程可能存在奈米晶體核（nanocrystal nucleation）的風險，奈米晶核會從玻璃基質中分離出來。部分結晶可能對光纖的傳播有較大影響。根據玻璃的能量分佈，這種無序的不平衡固體很容易轉變為有序晶體。
玻璃的能量曲線
析晶現象是可以透過差示掃描量熱法（differential scanning calorimetry）檢測Tx（區分清楚Tx是潔淨溫度、Tg是玻璃態溫度）結晶溫度來確認。Tx-Tg之差是評估玻璃形狀的標準。儘量控制和避免奈米晶體的生成，因為會在IR中散射光，成為IR光纖傳輸的障礙。
參考：
“Glasses to see beyond visible”，https://doi.org/10.1016/j.crci.2018.02.010
