寻找透光性能极佳的玻璃 - 红外玻璃（二）

石英玻璃（SiO2）的长波段和短波段光谱有一定的局限性，两个因素：如果太靠近紫外线，将被键合电子吸收；红外光将被Si-O网络的振动模式吸收。寻找到一个透光性非常好的玻璃，在上世纪80年代是很火爆的研究方向。以便将信息传送到更长距离的光网络中。

石英玻璃纤维的衰减在1.55μm波长达到较低的数据（成熟的产品可以达到0.16dB/km，现在还有可以达到0.12dB/km的记录）。根据这个数据，实现80公里保持20％左右的能量传输。一条V形衰减曲线（黄色的是石英玻璃曲线、红色的是氟化物ZBLAN玻璃纤维）展示出光损耗与波长的精确值。

二氧化硅玻璃纤维和氟化物玻璃纤维的衰减曲线与波长的关系

石英玻璃纤维的替代方案是基于ZrF4的氟化物玻璃。在紫外光谱的区域，导光情况类似；但在红外区域则完全不同。Zr-F的振动模式（vibration mode）远低于Si-O的振动模式，这从这张V型图上可以看到，这种成为ZBLAN的玻璃的曲线更深（衰减更低），对应的最小损耗比Si-O低约100倍。最低衰减区域出现在更长的波长（λ= 2.5μm）处。如果验证成功，意味着无中继器的光纤通信可能超过数百公里。

不过呢，这是理论数据，实际操作中，这个目标没有达到，因为过渡金属（transition metals，即使是ppb含量的）和-OH等杂质无法完全避免。从另一方面考虑，氟化物玻璃的光学透明性能仍然是存在的。看来真正难点是提纯的方案了。（看到一篇19年的新闻，在太空制造ZBLAN玻璃，就像下边这张图：在太空实现的ZBLAN玻璃制备，新闻很有趣，成本是不是有点太高了？）。

石英玻璃和太空中制备的ZBLAN玻璃

60ZrF4、20BaF2、4LaF3、6AlF3和10NaF的复杂组成（ZBLAN的首字母缩写）的玻璃状态最稳定（不易析晶），适合于纤维拉伸（所谓的软玻璃很怕在拉丝过程中析晶）。形成玻璃的多面体为ZrF7，AlF6和LaF8，而Ba2 +和Na +起到改性剂的作用。这种玻璃包含稀土（RE）作为自然成分（natural constituent），这可以使光放大器或光纤激光器更快速的发展，因为ZBLAN材料更容易实现各类型稀土的掺杂，比石英玻璃有更多的可以使用的波长（more emission lines than silica glass）。

在看ZBLAN发展的过程中，在同一时期，化学气相沉积工艺（CVD）发明了，现在依然在使用着，这一技术让石英纤维（预制棒技术提升，链接：保偏光纤的制备并不容易）的发展取得了巨大的进步，工业上也达到了的最终光学和机械性能的需求。

参考：

“Glasses to see beyond visible”，https://doi.org/10.1016/j.crci.2018.02.010

“Optical Fiber Manufacturing: Gravity-free optical fiber manufacturing breaks Earthly limitations”，Laser focused World, 2019.01.01.

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