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玻璃的藝術與科技:螢光玻璃

螢光物質在生活中舉目可見,除了日常生活中熟知的各種螢光產品外,螢光玻璃材料在光子通訊、雷射和平面顯示科技上的應用,將使我們未來的生活益發多采多姿。
 
 
 
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。
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