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分析了玻璃的发展历史和研究现状,指出其未来发展趋势:低维化、复合化以及集成化。提出了玻璃微结构的形成机制和调控规律以及玻璃微结构对外场的响应机制和功能化原理是实现具有高新功能玻璃材料与器件必须解决的两个关键科学问题。简要介绍了在飞秒激光诱导玻璃功能微结构以及实现超宽带光放大新型玻璃方面的探索性工作。
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综合
评述
Vol.44,No.12
Dec.2007
Review
名家讲坛
功能玻璃材料研究向何处去
FunctionalGlasses:WhereToGo?
邱建荣
(
浙江大学材料系,杭州
310027)
QIUJianrong
(DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou 310027)
摘 要 分析了玻璃的发展历史和研究现状,指出其未来发展趋势:低维化、复合化以及集成化。提出了玻璃微
结构的形成机制和调控规律以及玻璃微结构对外场的响应机制和功能化原理是实现具有高新功能玻
璃材料与器件必须解决的两个关键科学问题。简要介绍了在飞秒激光诱导玻璃功能微结构以及实现
超宽带光放大新型玻璃方面的探索性工作。
关键词 玻璃;光纤;微结构;低维化
Abstract
Researchhistoryandrecentresearchdevelopmentstatusofglassesarereviewed.Itispointedout
thatglasseswithlow-dimensional,hybridandintegratedstructureswillbethefuturedevelopment
tendenciesofglasses.Itisnecessarytosolvetwokeyscientificproblems:formationmechanisms
andcontrollingrulesofglassmicrostructure,andresponsemechanismtoexternalfieldand
functionalizationprincipleofglassmicrostructurefortherealizationofnovelglasseswithhigh
performance.Ourrecentresearchdevelopmentonthefemtosecondlaserinducedfunctional
microstructuresandnovelglassesforsuperbroadbandopticalamplificationisalsobrieflyintroduced.
Keywords glass;fiber;microstructure;low-dimension
中图分类号
TU382
1
引言
一提到玻璃,很多人会联想
到玻璃杯、啤酒瓶、灯泡、眼镜、高
楼 大 厦 和 汽车的玻璃窗以及电视
屏等。
1979
年我报考大学时,没做
太多思考就选了日用玻璃专业。
接到录取通知书后被人奚落了一
番:玻璃有啥搞的,亏你还是日用
玻璃,就那瓶瓶罐罐?!我当时无
言以对,内心也有些懊恼。大学毕
业二十多年过去了,大学以及研
究生的同学纷纷离开了玻璃这个
行业,转搞计算机、银行、管理和
法律等去了。当时国内几所著名
大学的玻璃专业现在除了武汉理
工大学等外,面对搞玻璃很难得
到国家项目支持的严酷现实,很
多转搞热门的纳米、半导体白光
照明和环境材料了。在国外也是
同样情形,原日本京都大学曾我
直弘教授研究室现在由平尾一之
教授执掌,研究室已从搞玻璃改
为搞飞秒激光微加工,最近开始
进军太赫兹了。原日本京都大学
14
Vol.44,No.12
Dec.2007
L
激光与光电子学进展
aser&OptoelectronicsProgress
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作花济夫教授的研究室
(
现横尾
俊彦教授主持
)
的重点移到光催
化和有机无机杂化材料了。曾经
风行一时的氟化物玻璃国际会
议,由于参加的人数越来越少,不
得不把会议名从氟化物玻璃会议
改成卤化物会议再改成非氧化物
会议而最终改为非氧化物及其光
学玻璃会议,但仍难走出越来越
冷清的困境。玻璃是不是真的没
前途了呢?玻璃研究今后向何处
去?这是一直令我感到困惑的一
个问题。
玻璃和空气有惊人的相似之
处:空气无色透明,摸不着看不
见,尽管它的作用人人皆知,却常
被我们忽视;玻璃在一般情况下
也是无色透明的,我想有很多人
可能会有直到撞到玻璃上才知道
原来这里有玻璃的经历。正因为
如此,玻璃也常常被人们所忽视。
但就其重要性而言,我们称玻璃为
凝固的空气也不过分。
玻璃是在
5
千年前在美索不
达米亚被人类偶然发现的最早的
人工材料之一。几千年来它一直
为改善人们生活质量,探索小至
电子大至宇宙的奥秘,起到了重
要的作用。在
1981
年牛津出版社
出版的《伟大的科学实验:改变我
们世界观的
20
个科学实验》一书
中,作者罗姆指出包括汤普逊发
现电子在内,在
16
个重大发现中
玻璃起到了不可或缺的作用。英
国剑桥大学教授麦克法兰在他的
近著《
TheGlassBathyscaphe(
玻
璃的世界
)
》一书中指出:“我们多
数人对玻璃漫不经心,但是请想
象:一觉醒来,发现的是一个将玻
璃清除的一干二净,或者根本不
曾发明玻璃的世界吧;所有的玻
璃器具都荡然无存,连同今天那
些用类似材料譬如塑料制成的物
件,没有了玻璃它们也不复存在;
所有从玻璃衍生的物体、技术和
思想见解也都销声匿迹了。”玻璃
强大的可塑性和突出的功能已被
人们所认识和证实:超低损耗石
英光纤和掺铒光纤放大器的诞
生,使得今天遍布全世界的高速
信息网络成为可能;掺钕磷酸盐
玻璃作为激光介质已实现太瓦级
的能量输出
(
图
1)
,可望实现核聚
变,为解决今后人类赖以生存的
能源问题开辟了一条新的途径;
稀土掺杂高功率光纤激光器在国
防上的应用,对维护国家安全具
有重要意义;超薄玻璃基板成为
液晶、等离子体显示以及太阳能
电池不可缺少的支撑;自洁净自
适应多功能平板玻璃广泛应用于
建筑、汽车工业,对 于改善我们人
类生活环境和质量起到了重要的
作用,等等。据新浪网介绍全球玻
璃的需求增长率比
GDP
高
1%
以
上。最近,
Nature
杂志报道的玻璃
微腔拉曼激光器
(
图
2)
[1]
,让人们
再一次惊喜地看到玻璃作为集成
用有源光子材料应用的可能性。
Nature
杂志和
Science
杂志接连
报导的玻璃光纤横截面的折射率
得到调制的光子晶体光纤
(
图
3)
所具有的超连续光谱产生、超低
红外传输损耗等优异特性,更是
展示了功能玻璃的不可替代性和
广泛的应用前景
[2
,
3]
。
我们可以想象未来玻璃带来
的美好图景。当我们早上醒来时,
自适应自洁净玻璃窗为我们送来
灿烂的阳光,挂在墙上的大型平
板显示屏为我们播放来自世界各
地的新闻,由超低损耗光纤和宽
带光纤放大器等构成的信息网络
为我们带来股票、基金和房产等
各种信息,通过玻璃微分析系统
和光纤传感器将我们当天的健康
图
1
激光玻璃与激光核聚变装置
图
2
登载微球
Raman
激光器的
Nature
杂志的封面
图
3
光子晶体光纤
15
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