红外玻璃让世界更多彩
在光纤光缆行业，石英玻璃早已成为我们熟悉的伙伴，其成熟的技术、低廉的成本、优良的光学性能和机械性能，使其在通信领域大放异彩。然而，红外（IR）透光玻璃却相对神秘。实际上，玻璃家族庞大而多彩，其中红外多组分玻璃正逐渐展现出其独特魅力，为红外成像、医学、天文学及生物传感器等领域带来新的可能。
二氧化硅玻璃的优劣势
二氧化硅（SiO₂）等氧化物玻璃，在光学领域拥有无可撼动的地位。它们不仅覆盖了从紫外（UV）到可见光（visible）再到近红外（NIR）的广泛光谱范围，而且以其出色的玻璃成型能力、高机械强度和良好的抗结晶、耐腐蚀性能著称。然而，SiO₂玻璃也存在一个固有缺陷：当波长超过3μm时，它会变得不透明。这一限制源于Si-O化学键的高振动模式，使得光线难以穿透。
为了突破这一限制，科学家们开始寻找能够透射更长波长的新材料。氟化物（fluoride）和硫属化物（chalcogenide）玻璃因其较弱的化学键和由较重原子组成的特性，成为研发近红外-中红外波长透射光学器件的理想选择。
红外玻璃的技术突破
红外玻璃的研发主要集中在两个方面：一是材料的选择与改性，二是制造工艺的优化。在材料方面，通过调整玻璃的化学组成，可以改变其红外透过性能。例如，添加重金属氧化物或改变玻璃的网络结构，都可以有效地拓宽红外透过波段。同时，对玻璃进行热处理或化学处理，也可以进一步改善其红外透过性能。
在制造工艺方面，红外玻璃的制备需要精确控制熔炼、成型、退火等多个环节。特别是退火过程，对于消除玻璃内部的应力、防止析晶等缺陷的产生至关重要（不过如果退火温度控制不好，反而更容易析晶）。此外，为了获得高质量的红外玻璃，还需要对原料进行严格的筛选和预处理，以确保玻璃的纯净度和均匀性。
玻璃的形成与特性
玻璃，作为一种“无序状态”（amorphous）的物质，其形成过程充满了奥秘。以SiO₂为例，当SiO₂熔化时，原子不会选择特定方向排列，而是保持液态的无序状态。当这种液态在足够快的冷却速度下固化时，原子无法形成有序的晶体结构，而是被“冻结”成一种高粘度的固体——玻璃。
这一过程的核心在于温度淬火，它要求冷却速度足够快，以避免原子排列形成微晶核。这种工艺不仅是玻璃成型的关键，也是玻璃制造商们严守的秘密之一。
玻璃的Tg点：从液体到固体的转变
玻璃与其他固体相比，具有独特的性能之一是其玻璃化转变温度（Tg）。当温度高于Tg时，玻璃表现出类似液体的性质，粘度随温度升高而迅速下降，进入所谓的“橡胶态”。把控好Tg点，对于实现压模、制备光纤等复杂工艺至关重要。
然而，玻璃作为一种不平衡的固体，在成型过程中存在纳米晶体核生成的风险。这些纳米晶核会从玻璃基质中分离出来，影响光纤等光学器件的传输性能。因此，通过差示扫描量热法（DSC）检测Tx（结晶温度）与Tg之差，评估并控制纳米晶体的生成，是确保玻璃质量的重要手段。
红外玻璃的应用前景
随着红外技术的不断发展，红外玻璃的应用领域日益广泛。从工业检测、检验检疫到电力监测、安防监控，再到无人机、物联网、汽车辅助驾驶等新兴领域，红外玻璃正逐步展现其独特价值。它不仅能够透过红外波段电磁辐射，为红外探测和成像技术提供关键支持，还因其优良的光学性能和机械性能，成为众多高科技产品的理想选择。
未来，随着红外技术的进一步普及和应用领域的不断拓展，红外玻璃无疑将扮演更加重要的角色。例如，在医疗领域，红外玻璃可以用于制造高性能的红外医疗器械，如红外体温计、红外治疗仪等；在军事领域，红外玻璃则可以用于制造高灵敏度的红外探测器，提高军事装备的侦察和打击能力。
总之，红外玻璃作为一种具有独特性能和广泛应用前景的材料，正逐渐成为科研和工业领域的热点。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，红外玻璃将为我们的世界带来更多的色彩和可能性。
参考：
