玻璃的藝術與科技：螢光玻璃
95/10/16
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楊希文｜
聯合大學材料科學工程學系
原子模型與電子能階
自然界的物質，都是由原子組成的。在波耳（Niels Bohr, 1885-1962）所建構的原子模型中，原子是由質子、中子和電子組成的，其中質子和中子構成原子核，電子則在圍繞於原子核外的各個特定軌道上運行。然而這些軌道之間並不是連續的，電子所處的軌道不同，能量也不同，稱為能階。因此，電子若要在不同的軌道之間躍遷，必須吸收或釋放特定的能量，而這一特定的能量相當於不同能階之間的能量差。
電子最低能階的狀態，稱為基態，而電子升遷到較高能階的狀態，則稱為激發態。電子可以藉由吸收熱能或光能，自基態躍遷至激發態，然而較高能量的激發態通常較不穩定，因此，電子會藉由釋出能量自激發態返回基態，所釋出的能量通常以光子或熱的形式表現。假如電子所釋出的光子波長在可見光的範圍，即約400～750奈米，那麼就能被人類肉眼所見，而察覺到物體發光。
這種電子自激發態返回基態而放出光子的現象，通常會依據所釋出光子存在的時間，也就是所謂的生命期，而區分為「螢光」與「磷光」。當能量自吸收到釋放的時間間隔在奈秒（10-9秒）至微秒（10-6秒）之間，就稱為「螢光」，若在毫秒（10-3秒）至秒的尺度，則稱為「磷光」。
螢光材料和應用
螢光材料也存在於自然界的礦物中，例如螢石就是一種天然的螢光物質，它的主要成分是氟化鈣，可能也包含少量的稀土元素。古代常開採這類礦石製成「夜明珠」之類的寶石，這類螢光物質經紫外線的照射或加熱後就可發光，但是古人對它的發光機制並不明瞭，因此「夜明珠」多被視為奇珍異寶，只有王公貴族方得擁有賞玩。
夜明珠的發光是因為螢光物質中的電子吸收了高能量的光子或熱能，而由基態被激發至較高能量的激發態。但由於高能激發態的不穩定性，使得電子傾向釋放能量而回到基態，所釋出的能量便以光的形式放出。若光的波長恰在可見光範圍，就是夜明珠發光的現象，目前市面上甚至有以人工樹脂摻加螢光粉製成的塑膠夜明珠。
螢光材料已經普遍出現在我們的生活周遭，例如各種螢光裝飾、螢光貼紙、螢光棒、螢光標誌等。此外，在高科技的應用方面也不斷地被開發出來，例如日本日亞公司研發出以460奈米波長的藍光發光二極體去激發釔鋁石榴石螢光粉，螢光粉被激發後會放出黃光，再藉由藍光和黃光的混合而得到白光。另外也有科學家研發利用紫外光去激發含有多種稀土元素的螢光粉，可分別得到3原色光，再使之混合而得到白光。白光發光二極體因為耗電低、體積小、亮度高且發熱量小，有潛力取代傳統的鎢絲燈泡。
又如在有機電激發光顯示器的應用上，把不同的螢光材料鍍著在塑膠基板上，利用電流激發螢光材料而得到不同顏色的光。若把這種技術應用在顯示器上，具有質輕、薄、可撓曲、耗電低的優勢，未來可能發展出可撓曲式的電視或電腦顯示螢幕，使用會更方便，也是取代傳統陰極射線管的明日之星。
螢光玻璃
玻璃是一種非常有趣的材料，它是一種固體，但其中組成的原子並無規則性的排列，也就是說玻璃是屬於非晶質的材料，嚴格來說是一種「不隨時間而結晶化的液體固化而成」的物質。以常見的矽酸鹽系玻璃為例，它的主要成分是矽砂，也就是SiO2，在地殼中氧元素和矽元素的含量就占了74％，因此矽砂價格非常低廉，且它還具有化學性質穩定、低熱膨脹係數、高折射率、高可見光穿透率等優異的光學性質。
玻璃並非金屬導體，傳遞光子訊號時不會受電磁輻射的干擾，而且光子在玻璃中傳遞也沒有熱量的耗損，因此玻璃在光子通訊領域中有非常廣泛的應用，例如我們所熟知的玻璃光纖、光纜。
科學家的研究發現，在玻璃中藉由溶入一些稀土元素等具有螢光特性的物質，可大幅提升其光學特性，包括可製成雷射光纖做為雷射光源或光纖放大器，這是光纖通訊網路中的關鍵元件，更是發展超寬頻高容量光纖系統中不可或缺的組件。未來光纖通訊會普及至每個家庭，每一用戶甚至可藉由一條光纖來傳遞訊息，獲得有線電視、電話及網際網路的服務。
目前光子通訊用的玻璃材料仍以矽酸鹽系玻璃為主，但是矽酸鹽系玻璃對稀土元素的溶解度有限，而磷酸鹽系玻璃對稀土元素的溶解度比矽酸鹽系玻璃高上百倍，因此其光學特性也比矽酸鹽系玻璃的好，吸引了許多科學家加入探索研究。
玻璃摻加稀土元素
若在玻璃中摻加少量的稀土元素，例如釹、鐠、鉺、鐿、銩等，則在吸收外來光子能量時，玻璃中稀土元素的電子會躍遷至激發態，而當電子返回基態時會放出螢光，這種螢光放射的特性，在光子通訊中可用來放大光子的訊號。由於訊號的放大是在同一介質中進行，不需經過傳統中繼器繁瑣的光－電轉換，因此可大幅減少轉換過程中訊號的損失，且其具體積小、雜訊低、連接損失低、放大增益高等優點，使得螢光玻璃成為光子通訊上非常重要的發明之一。
螢光玻璃中做為基材的玻璃性能，對於螢光的品質有重大的影響。實際應用的玻璃材料須有易於熔製、優良化學耐久性、低結晶化速率、低熱膨脹係數、容易摻加活化稀土離子等特性。早期發展的矽酸鹽系玻璃，由於需要較高的熔製溫度、可溶入稀土離子的濃度低，使得光子訊號的增益較小，因此，矽酸鹽系玻璃已無法滿足先進光纖通訊應用上的需求。
代之而起的是以五氧化二磷（P2O5）為主成分的磷酸鹽系玻璃，因它特有的網絡結構，而具有低玻璃軟化溫度、低熔製溫度、以及特殊的光學性質。這些特質使得磷酸鹽系玻璃在熔製及低溫領域的應用上，有強烈的競爭優勢與發展潛力。
此外，由於磷酸鹽系玻璃可溶入較高濃度的稀土元素離子，使得它的光訊號放大增益可達矽酸鹽系玻璃的百倍以上，因此即使是小型化的光電模組仍可產生較強的輸出訊號。也因此，磷酸鹽系玻璃在光纖雷射及光纖放大器的應用上極具競爭力。例如在摻「鉺」（Er，原子序68）光纖放大器的應用上，磷酸鹽系光纖放大器將提供高增益、高輸出功率及低雜訊的特性。更重要的是，所有的光子訊號都可以在一個摻鉺光纖放大器內同時放大，使得「高密度分波多工傳輸」的技術得以實現。
