زجاج الفلورايد

الزجاج الفلوريدي هو نوع من الزجاج البصري غير الأكسيدي يتكون من فلوريدات معادن مختلفة. قد يحتوي على معادن ثقيلة مثل الزركونيوم ، أو قد يُدمج مع عناصر أخف مثل الألومنيوم والبريليوم . تُكسب هذه العناصر الأثقل الزجاج نطاق شفافية يمتد إلى الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 1 ]}

لذا، يهدف استخدام زجاج فلوريد المعادن الثقيلة (HMFG) إلى ابتكار أنظمة اتصالات بالألياف الضوئية ذات فقد منخفض للغاية، وذلك لتطبيقات تجارية ودفاعية، بالإضافة إلى مكونات أساسية يمكن استخدامها في العلاجات الطبية الجراحية. مع ذلك، تتسبب العناصر الأثقل في انخفاض لزوجة الزجاج، مما يجعله عرضة للتبلور أثناء التحول الزجاجي أو عمليات التصنيع. وهذا بدوره يزيد من هشاشة الزجاج ويقلل من مقاومته للرطوبة والعوامل البيئية الضارة. ^{[ 2 ]}

أفضل ما يميز زجاج الفلورايد هو أنه يفتقر إلى نطاق الامتصاص المرتبط بمجموعة الهيدروكسيل (-OH) (3.2-3.6  ميكرومتر) الموجود في جميع أنواع الزجاج القائمة على الأكاسيد تقريبًا. ^{[ 3 ]}

يمكن تحديد الخصائص البصرية للألياف الفلوريدية من خلال مصادر الفقد الداخلية والخارجية. توجد ثلاثة مصادر للفقد الداخلي في زجاج الفلوريد: حافة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية ، وتشتت رايلي ، وامتصاص الفونونات المتعددة. ^{[ 1 ]}

في نطاق الأطوال الموجية القصيرة ضمن طيف الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي، تُعدّ حافة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية هي التأثير السائد. تحدث حافة امتصاص الأشعة فوق البنفسجية عندما يتطابق طول موجة الطاقة مع جهد انتقال الإلكترون أو جهد تأينه ، ويتم امتصاصها في المادة عند انبعاث الإلكترون إلى حالة كمومية أخرى. مع ذلك، لا يحدث هذا الامتصاص إلا عند الأطوال الموجية القصيرة، ويتناقص بسرعة مع ازدياد الطول الموجي. ^{[ 2 ]}

في نطاق الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة، يُعدّ تشتت رايلي التأثير السائد. وهو عبارة عن تشتت أو تشتت مرن للجسيمات الأصغر بكثير من الطول الموجي للطاقة. وهذا هو سبب زرقة السماء، حيث يتشتت ضوء الشمس بفعل جزيئات الهواء. ^{[ 4 ]} ولأن الزجاج مادة صلبة غير متبلورة ، وتختلف كثافتها اختلافًا طفيفًا عبر الألياف، يحدث تشتت رايلي وتتبدد الطاقة. ومع ذلك، يتناسب تشتت رايلي عكسيًا مع الطول الموجي، فكلما زاد الطول الموجي، قلّ تشتت رايلي. ^{[ 5 ]}

بالمقارنة مع زجاج السيليكا ، تخضع أنواع زجاج الفلوريد لتشتت متعدد الفونونات عند أطوال موجية أطول، وهذا ما يفسر شفافيتها في نطاق الأشعة تحت الحمراء. يحدث هذا عندما تتولد فونونات متعددة نتيجة امتصاص واقتران فونون واحد. يُعد هذا الأمر بالغ الأهمية في الزجاج تحديدًا، لأن اهتزاز الأيونات المتجاورة في طور واحد يمكن أن يتسبب في حدوث تشتت متعدد الفونونات. ونظرًا لأن زجاج الفلوريد يحتوي على أيونات أثقل من نظيره في زجاج السيليكا، فإنه يتميز بترددات اهتزاز أقل، ما يُقابله حافة امتصاص أطول في نطاق الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

تنشأ مصادر الفقد الخارجية بشكل رئيسي من تشتت البلورات وامتصاص الشوائب. ويُعدّ تشتت البلورات المصدر الخارجي الرئيسي للفقد، وينتج عن الترتيب الاتجاهي لمجموعة من الذرات التي تعكس وتمتص أطوال موجات الطاقة بشكل مختلف. ونظرًا لأن زجاج الفلوريت يميل إلى التبلور بسهولة، فقد يصعب تجنب التبلور أثناء التصنيع. أما امتصاص الشوائب فينشأ من العديد من الانتقالات وبعض العناصر الأرضية النادرة التي قد يحتويها الزجاج. ولأن هذه العناصر تمتص في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، يجب ألا تتجاوز مستويات التلوث جزءًا واحدًا في المليار (ppb) حتى يكون الفقد الخارجي أقل من الفقد الداخلي.

من الأمثلة على زجاج فلوريد المعادن الثقيلة مجموعة زجاج ZBLAN ، التي تتكون من فلوريد الزركونيوم والباريوم واللانثانوم والألومنيوم والصوديوم. يُستخدم هذا النوع من الزجاج بشكل أساسي في التطبيقات التقنية كموجهات ضوئية مستوية وليفية، ويتميز بمزايا خاصة في نطاق الأشعة تحت الحمراء المتوسطة (2000-5000  نانومتر). ^{[ 8 ]}

الخطوة الأولى في تصنيع زجاج الفلوريد هي التحضير الدفعي. أهم معايير هذه الخطوة هي متطلبات النقاء الخاصة بالكاتيون المطلوب. عمومًا، يمكن تحمل العديد من الكاتيونات غير المغناطيسية، لذا يجب مراقبة الشوائب الماصة للضوء والشوائب الأنيونية، مثل النترات والكربونات والكبريتات . من أهم الشوائب التي يجب تجنبها الماء، إذ يمكن أن تتسبب الشوائب الأنيونية والماء في ظهور الأكسجين الأنيوني في المنتج النهائي. لتجنب ذلك، يجب تجفيف كل مادة على حدة أو تسخينها لمنع تلوثها بالماء أثناء التصنيع. ^{[ 1 ] [ 9 ]}

بعد خلط المواد الأولية، تُسخّن الدفعة إلى درجة انصهارها داخل بوتقة . غالبًا ما يحتوي هذا الزجاج الخام على مناطق متبلورة بكثافة عالية عند تجفيفه في البوتقة. ويتم ضبط ذلك من خلال عملية التصفية التي تُسخّن المصهور فوق درجة حرارة السيولة . مع ارتفاع درجة الحرارة، تنخفض اللزوجة ويصبح المصهور متجانسًا دون تقليب، وتُزال العيوب. ^{[ 9 ]}

ينتج عن التبريد زجاج متجانس وشفاف. توجد طرق عديدة للتبريد، لكن الطريقة التقليدية تتضمن التبريد إلى درجة حرارة أعلى بقليل من درجة حرارة السيولة، ثم صهر الزجاج في قالب وتبريده سريعًا. عند استخدام قالب، قد يكون التبريد غير منتظم تبعًا لشكل القالب ووزنه. تتميز طريقة الصب هذه بالسرعة والمرونة، وتتيح إنتاج أشكال وأحجام متنوعة. مع ذلك، فهي محدودة لأنها تُعرّض الزجاج للتلوث الجوي. قد تبقى بعض الأطوار البلورية الدقيقة في الزجاج أعلى القالب نتيجةً لتكثف البخار. إضافةً إلى ذلك، قد لا تصل الفقاعات إلى السطح لأن الزجاج مُجمّد داخل القالب. هناك طريقة أخرى للتبريد وهي طريقة القالب والبوتقة، حيث تُبرّد العينة داخل البوتقة التي صُهرت فيها. هذا يعني عدم وجود أي تعرض للهواء الجوي أو التلوث الخارجي، لكن الزجاج الناتج يكون محدودًا بشكل البوتقة. أما الطريقة الأخيرة فهي التبريد السريع، وتُستخدم مع أنواع الزجاج الأقل استقرارًا. ^{[ 1 ]}

يتمثل الهدف الرئيسي في أبحاث وتطوير زجاج الفلوريد في ابتكار نظام اتصالات بالألياف الضوئية ذي فقد منخفض للغاية. ونظرًا لشفافية ألياف زجاج الفلوريد في نطاق الأشعة تحت الحمراء، فإنها قادرة على نقل أطوال موجات الطاقة عبر مساحة واسعة.

يتمثل أحد الأهداف الثانوية للزجاج المحتوي على الفلورايد في تصنيع الألياف البصرية والمكونات الأساسية الناقلة للأشعة تحت الحمراء في المجال الطبي. يمكن للألياف البصرية المحتوية على الفلورايد نقل شعاع الليزر إلى داخل الجسم أثناء العمليات الجراحية لإجراءات أقل توغلاً. كما يمكن استخدامها كمستشعرات للغازات أو السوائل داخل الجسم عن طريق تسليط ضوء مُنتَج عبر الليف بواسطة الليزر أو الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) على أحد جانبي الليف، ثم رصد التغير على الجانب الآخر. بالإضافة إلى ذلك، يسمح ذلك بالكشف عن الجزيئات ذات نطاقات الامتصاص في نطاق الأشعة تحت الحمراء باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء. ^{[ 2 ] [ 10 ]}

• ألياف الفلورايد ، موسوعة RP Photonics