在光學(xué)材料的廣闊譜系中，除了我們日常生活中常見(jiàn)的硅酸鹽玻璃，還存在著(zhù)一類(lèi)性能卓越的特種玻璃——硫系玻璃。它不僅是材料科學(xué)的一項奇跡，更是在紅外技術(shù)領(lǐng)域扮演著(zhù)不可或缺的角色，深刻地改變了我們感知世界的方式。

一、 什么是硫系玻璃？

硫系玻璃是一類(lèi)以元素周期表第Ⅵ主族（氧族）的硫、硒、碲等硫族元素為骨架，并通過(guò)引入鍺、砷、鎵、銦等元素形成網(wǎng)絡(luò )結構所構成的非晶態(tài)無(wú)機固體材料。

核心定義解析：

成鍵特性：其原子間主要通過(guò)強大的共價(jià)鍵結合，形成連續、無(wú)規則的三維網(wǎng)絡(luò )結構，這與傳統的二氧化硅玻璃類(lèi)似，但成分截然不同。

半導體屬性：由于硫族元素的電子結構，硫系玻璃本質(zhì)上是非晶態(tài)半導體，其電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)對光、電、熱等外部刺激非常敏感。

性能可設計性：通過(guò)調整其化學(xué)成分（如增加碲含量可拓展紅外透射范圍），可以精確“裁剪”其光學(xué)和熱力學(xué)性能，以滿(mǎn)足特定應用需求。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，硫系玻璃是一種為實(shí)現特定功能（尤其是紅外波段）而“量身定制”的高性能特種玻璃。

二、 硫系玻璃的核心特性：為何它獨一無(wú)二？

硫系玻璃的強大能力源于其以下幾項核心特性：

卓越的紅外透過(guò)性：這是其最根本的優(yōu)勢。它能在中波紅外至長(cháng)波紅外波段具有極高的透過(guò)率，輕松覆蓋 3-5 μm 和 8-12 μm 這兩個(gè)至關(guān)重要的大氣窗口，而這正是普通玻璃完全不透明的“盲區”。

高折射率與低色散：具有較高的折射率，便于設計制造更緊湊、高效的紅外光學(xué)系統（如透鏡和棱鏡）。

獨特的光敏性與相變特性：在光或電的刺激下，其結構能在非晶態(tài)與晶態(tài)之間快速、可逆地轉變，并伴隨折射率和消光系數的巨大變化。這是其應用于光開(kāi)關(guān)和相變存儲器的物理基礎。

優(yōu)異的化學(xué)穩定性：相較于其他一些紅外材料（如鍺酸鹽玻璃），它具備更好的耐腐蝕性和抗潮解能力，適應惡劣環(huán)境。

三、主要特征

1.硫系玻璃的主要體系

硫系玻璃有很多種體系，遠比想象的要豐富。常見(jiàn)的幾大體系包括：

砷-硫體系：例如 As?S? 玻璃和 As?Se? 玻璃。這是最早被深入研究和應用的硫系玻璃之一。

鍺-砷-硒體系：例如 Ge-As-Se 系列。通過(guò)調整三者的比例，可以靈活地改變玻璃的光學(xué)性能和熱穩定性。

鍺-銻-硒體系：例如 Ge-Sb-Se 系列。有些體系為了環(huán)保，會(huì )刻意避免使用砷。

碲基硫系玻璃：例如 Ge-Te-Se， As-Se-Te 等。引入碲可以極大地擴展紅外透射范圍到更長(cháng)的波長(cháng)（可達20μm以上），但玻璃形成能力會(huì )變差。

硫-硒-碲混合體系：通過(guò)混合不同的硫系元素，來(lái)優(yōu)化性能。

2. 顏色：深邃的金屬色調

硫系玻璃的顏色主要取決于其具體的化學(xué)成分組合：

以砷-硒體系為主：通常呈現出深紅色、暗紅色或紅黑色。在較薄的部位可能呈現半透明的深紅色，類(lèi)似紅寶石的顏色，但更深沉。

以鍺-砷-硒體系為主：顏色會(huì )更暗，常見(jiàn)為暗褐色或黑褐色。

含碲的體系：當引入碲元素后，玻璃會(huì )呈現出灰黑色、暗灰色，并帶有更強烈的金屬光澤。碲含量越高，顏色越灰黑。

含銻的體系：引入銻可以幫助淡化顏色，使玻璃呈現淡紅色或琥珀色，但總體上顏色依然很深。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，您基本不會(huì )看到像窗玻璃一樣無(wú)色的硫系玻璃，它們的顏色總是處于深色譜系中。

3. 光澤與質(zhì)感：類(lèi)金屬與玻璃體的融合

光澤：經(jīng)過(guò)拋光后，硫系玻璃表面會(huì )呈現出一種獨特的半金屬光澤。它不像純金屬那樣鏡面反光，但又比普通玻璃的光澤更亮、更“硬”，有一種深邃的質(zhì)感。

斷口：和大多數玻璃一樣，硫系玻璃是脆性材料，其斷口呈現典型的貝殼狀斷口（Conchoidal fracture），光滑而彎曲。

質(zhì)感：觸感和視覺(jué)上，它更像是一種致密、厚重的特種陶瓷或黑曜石，而不是輕薄的普通玻璃。

4. 透明度：對可見(jiàn)光不透明，對紅外光“透明”

這是硫系玻璃最有趣的反差所在：

在可見(jiàn)光下：由于其對可見(jiàn)光（波長(cháng)約380-780納米）有非常強的吸收，因此它看起來(lái)是不透明或半透明的。光線(xiàn)無(wú)法穿透一塊幾毫米厚的硫系玻璃，就像無(wú)法穿透一塊金屬一樣。

在紅外光下：這正是其價(jià)值核心。對于肉眼不可見(jiàn)的紅外光（波長(cháng)通常大于2微米），硫系玻璃就變得像普通玻璃對可見(jiàn)光一樣 “透明” 。這種“看不見(jiàn)的透明”是其能夠用于熱成像、紅外導引頭等應用的根本原因。

四、硫系玻璃在紅外光學(xué)領(lǐng)域的深遠影響

硫系玻璃的出現和成熟，對紅外光學(xué)技術(shù)產(chǎn)生了革命性的推動(dòng)，其影響具體體現在以下幾個(gè)方面：

1. 拓寬了紅外應用的邊界，實(shí)現了“全天候、全場(chǎng)景”感知

影響：在硫系玻璃廣泛應用之前，高性能紅外透鏡和窗口材料選擇有限且成本高昂（如單晶鍺）。硫系玻璃提供了性能優(yōu)異且可大規模生產(chǎn)的替代方案。

應用體現：

軍事與安防：使得高性能、低成本的紅外熱成像儀、導彈導引頭、夜視裝備得以普及，實(shí)現了在夜間、煙霧、沙塵等惡劣條件下的清晰觀(guān)測與精確制導。

工業(yè)檢測與科研：讓便攜式紅外測溫儀、在線(xiàn)質(zhì)量監測系統、研究氣體分子吸收光譜的紅外光譜儀成為可能，極大地推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化和基礎科學(xué)研究。

2. 催生了新型紅外光學(xué)系統的設計與制造

影響：硫系玻璃的可壓制成型特性，使其能夠像塑料一樣被精密模壓成復雜的非球面透鏡。

應用體現：

系統輕量化與小型化：通過(guò)模壓技術(shù)，可以制造出更輕、更薄、結構更復雜的紅外透鏡，直接推動(dòng)了手持式熱像儀、智能手機紅外附件等消費級和便攜式設備的發(fā)展。

成本降低與產(chǎn)能提升：模壓工藝效率遠高于傳統的研磨拋光，大幅降低了復雜光學(xué)元件的制造成本和時(shí)間，使紅外技術(shù)從“高端專(zhuān)用”走向“普及應用”。

3. 開(kāi)啟了“片上紅外光子學(xué)”的新紀元

影響：硫系玻璃具備極高的光學(xué)非線(xiàn)性和光敏性，可以被刻蝕成納米級的光波導、微環(huán)諧振器等結構。

應用體現：

紅外光子集成芯片：在芯片上實(shí)現紅外光的產(chǎn)生、傳輸、調制和探測，為開(kāi)發(fā)超緊湊、低功耗、高速的紅外光譜傳感芯片鋪平了道路。未來(lái)，一個(gè)“實(shí)驗室”的功能可能被集成到一個(gè)指甲蓋大小的硫系芯片上。

中紅外超連續譜激光源：利用硫系玻璃波導的非線(xiàn)性效應，可以將單一波長(cháng)的激光轉換為寬譜的“超級激光”，這種光源在分子指紋識別、激光雷達等領(lǐng)域具有巨大潛力。

4. 實(shí)現了紅外激光的柔性傳輸

影響：硫系玻璃可以被拉制成低損耗的紅外光纖。

應用體現：

醫療激光手術(shù)：能夠靈活地將中紅外激光（如Er:YAG激光）傳輸到手術(shù)部位，用于微創(chuàng )和精準的軟組織切割、消融等。

國防與工業(yè)加工：用于構建高功率激光武器系統的柔性傳輸部件，或用于焊接特定塑料等材料的工業(yè)加工機器人。

硫系玻璃遠不止是一種材料，它更是一項賦能技術(shù)。它以其在紅外波段無(wú)可替代的透光能力為核心，通過(guò)模壓成型和光子集成兩大技術(shù)路徑，深刻地影響了從高端國防到日常民用的整個(gè)紅外光學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈。它不僅讓我們“看”到了前所未有的紅外世界，更正在將紅外 sensing 與 processing 的能力，帶入一個(gè)更加小型化、智能化和低成本的新時(shí)代?？梢哉f(shuō)，硫系玻璃是當之無(wú)愧的現代紅外光學(xué)的基石與推動(dòng)者。