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フッ化物ガラスは、さまざまな金属のフッ化物からなる非酸化物光学ガラスの一種です。ジルコニウムなどの重金属を含む場合もあれば、アルミニウムやベリリウムなどの軽元素と組み合わせる場合もあります。これらの重元素によって、ガラスの透明度範囲が赤外線波長まで広がります。[ 1 ]
したがって、重金属フッ化物ガラス（HMFG）の目標は、商業および防衛用途向けの超低損失光ファイバー通信システムと、侵襲的医療処置に使用できるバルク部品を作成することです。しかし、より重い元素はガラスの粘度を低下させ、ガラス転移または加工中に結晶化しやすくします。これにより、ガラスはより脆くなり、湿気や環境攻撃に対する耐性が低下します。[ 2 ]
フッ化物ガラスの最大の利点は、ほとんどすべての酸化物系ガラスに存在する水酸基（-OH）に関連する吸収帯（3.2～3.6マイクロメートル）がないことです。 [ 3 ]
フッ化物ファイバーの光学的特性は、固有損失と外因性損失によって決まります。フッ化物ガラスの固有損失には、UV吸収端、レイリー散乱、多フォノン吸収の3つの原因があります。[ 1 ]
紫外線および可視光スペクトル内の短波長では、紫外線吸収端が支配的な効果となります。紫外線吸収端は、エネルギーの波長が電子遷移またはイオン化ポテンシャルと一致し、電子が別の量子状態に放出される際に物質に吸収されるときに発生します。ただし、この吸収は短波長でのみ発生し、波長が長くなるにつれて急速に減少します。[ 2 ]
可視光から近赤外線領域では、レイリー散乱が支配的な効果です。レイリー散乱は、エネルギーの波長よりもはるかに小さい粒子の分散または弾性散乱です。太陽からの光が空気中の分子によって散乱されるため、空が青く見えるのはそのためです。[ 4 ]ガラスは非晶質固体であり、繊維全体で密度にわずかな変化があるため、レイリー散乱が発生し、エネルギーが散逸します。ただし、レイリー散乱は波長に反比例するため、波長が増加するとレイリー散乱は減少します。[ 5 ]
シリカガラスと比較して、フッ化物ガラスは長波長で多フォノン散乱を起こすため、赤外線スペクトルまで透明になります。これは、1つのフォノンの吸収と結合によって複数のフォノンが生成される場所です。これは、隣接するイオンが同位相で振動すると多フォノン散乱が発生する可能性があるため、ガラスでは特に重要です。フッ化物ガラスはシリカガラスよりも重いイオンを持つため、より長い赤外線吸収端に対応する低い振動周波数があります。[ 6 ] [ 7 ]
外因性の損失は主に結晶粒散乱と不純物吸収に起因します。外因性の損失の主な原因は結晶粒散乱です。結晶粒散乱は、エネルギーの波長を異なる方法で反射および吸収する一連の原子の方向性のある配列によって生じます。蛍石ガラスは非常に容易に失透する傾向があるため、加工中に結晶化を避けることは困難です。不純物吸収は、ガラス中に含まれる可能性のある多くの遷移と一部の希土類元素に起因します。これらの元素は中赤外領域で吸収性があるため、外因性の損失が内因性の損失よりも小さくなるように、汚染レベルは1ppb未満である必要があります。
重金属フッ化物ガラスの一例として、ジルコニウム、バリウム、ランタン、アルミニウム、ナトリウムのフッ化物からなるZBLANガラス群が挙げられます。これらの材料の主な技術的用途は、平面およびファイバー状の光導波路です。特に中赤外（2000～5000 nm）領域で有利です。 [ 8 ]
フッ化物ガラス合成の最初のステップはバッチ調製です。このステップで最も重要な基準は、目的とする陽イオンに特有の純度要件です。一般的に、さまざまな反磁性陽イオンが許容されるため、監視すべきものは、硝酸塩、炭酸塩、硫酸塩などの光吸収性不純物と陰イオン不純物です。避けるべき主要な不純物の1つは水です。陰イオン不純物と水は、最終製品に陰イオン酸素を発生させる可能性があるためです。これを避けるために、合成中に水が混入しないように、各材料を個別に脱水または加熱する必要があります。[ 1 ] [ 9 ]
原料を混合した後、バッチをるつぼ内で融点まで加熱します。この生ガラスは、るつぼ内で乾燥させる際に、しばしば高い失透領域を有します。これは、溶融物を液相線温度以上に加熱する精製プロセスによって調整されます。加熱が進むにつれて粘度が低下し、攪拌せずに溶融物が均質化され、欠陥が除去されます。[ 9 ]
冷却すると、均質で透明なガラスが得られます。冷却方法には多くの種類がありますが、古典的な方法では、液相線温度よりわずかに高い温度まで冷却してから溶融し、鋳型に入れて急冷します。鋳型を使用する場合、鋳型の形状や重量によっては冷却が不均一になることがあります。この鋳造方法は、高速で柔軟性があり、さまざまな形状やサイズのガラスを作ることができます。しかし、ガラスが大気汚染にさらされるため、制限があります。凝縮物により、鋳型の上部のガラスに微結晶相が残っている場合があります。さらに、ガラスが鋳型内で凍結しているため、気泡が表面に到達しない場合があります。別の冷却方法は、溶融したるつぼ内でサンプルを冷却する鋳型るつぼ法です。これは、大気や外部汚染にさらされないことを意味しますが、得られるガラスはるつぼの形状に制限されます。最後の冷却方法は急冷で、安定性の低いガラスに使用されます。[ 1 ]
フッ化物ガラスの研究開発における主な目標は、超低損失の光ファイバー通信システムを実現することである。フッ化物ガラスファイバーは赤外線領域で透明であるため、広い範囲にわたって様々な波長のエネルギーを伝送することができる。
フッ化物ガラスの二次的な目標は、医療分野における赤外線透過光ファイバーおよびバルク部品です。フッ化物光ファイバーは、手術中にレーザービームを体内に透過させ、低侵襲手術を行うことができます。また、レーザーまたはLEDによってファイバーを通して生成された光をファイバーの一方の端に当て、もう一方の端で変化を検出することにより、体内のガスまたは液体センサーとしても使用できます。さらに、赤外線領域に吸収帯を持つ分子を赤外線分光法によって検出することも可能です。[ 2 ] [ 10 ]