原文出自Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Hu Z, Zhu S, Lin S, et al. Glass network engineering enables efficient nir cut-off in Cu²⁺ blue glasses. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221398

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221398

ResearchGate：Glass network engineering enables efficient nir cut-off in Cu ²⁺ blue glasses

1、  导读

近红外截止滤光片在成像系统中扮演着关键角色，通过阻挡CMOS传感器上的近红外干扰，防止图像出现鬼影和畸变。然而，当前商用Cu²⁺掺杂蓝玻璃难以兼顾高可见光透过率与完全近红外截止，其核心瓶颈在于Cu⁺和Cu²⁺的形成难以控制，且Cu²⁺配体场难以调控。本文提出一种网络工程策略，通过碱金属（AM）掺杂改性氟磷酸盐玻璃网络。大尺寸AM离子在玻璃中提供高光学碱度和氧化气氛，使Cu²⁺/Cu⁺比值高达29.87。同时，它们调控玻璃网络结构以降低CuO₄F₂单元的八面体畸变，导致近红外截止波长红移。所得蓝玻璃同时具有高可见光透过率和高效近红外截止性能，优于商用同类产品。使用该蓝玻璃拍摄的图像具有更高的饱和度和更真实的色彩还原，且无近红外光干扰。该工作为解决商用蓝玻璃的关键瓶颈提供了新策略，并为先进成像提供了替代材料。

2、  研究背景

随着摄像设备的广泛普及和升级，多样化环境下的性能要求日益苛刻。消除成像系统中的近红外光干扰已成为一项重大挑战。近红外截止玻璃滤光片能够高效透过可见光并阻挡近红外光，已作为数码相机、监控摄像头和智能手机的核心部件得到广泛应用。目前，主流的近红外截止滤光片产品是通过在高透明石英玻璃上镀近红外反射膜制备的。然而，入射光在光学透镜之间的多次反射和折射会产生鬼影和光斑。

作为替代方案，以特殊设计的过渡金属掺杂玻璃为代表的吸收型近红外截止滤光片，因其成本低、加工简单，且能够解决传统滤光片的局限性，已迅速成为下一代成像系统的有前景解决方案。其中，Cu²⁺掺杂氟磷酸盐玻璃，即蓝玻璃，引起了广泛的研究兴趣。一般来说，Cu²⁺: 3d → 3d跃迁产生近红外吸收，而相关的Cu⁺: 3d¹⁰ → 3d⁹4s¹跃迁产生紫蓝色吸收，这显著降低了可见光透过率，并且还可通过反向跃迁产生通常位于450-550 nm的蓝绿色发光。此外，光吸收特性强烈依赖于玻璃中Cu²⁺的八面体畸变，这极大地影响Cu²⁺近红外吸收的光谱区域。

目前研究多关注Cu离子引入后玻璃网络结构的变化及晶体场强度对吸收行为的调控，但Cu²⁺掺杂氟磷酸盐玻璃的近红外吸收还受厚度影响。目前尚无研究系统探讨在低厚度（0.21 mm，适配多数商用镜头）下如何实现更优性能。

3、  文章亮点

（1）提出一种玻璃网络调控策略，通过碱金属离子掺杂改变玻璃网络结构，协同调控光学碱度和晶体场强度，实现Cu²⁺/Cu⁺比值与近红外吸收波长的同时优化；

（2）获得的Cs⁺掺杂蓝玻璃实现T_{400 nm} = 85.4%、λ_T50 = 669 nm、T_{1100 nm} < 2%，关键指标优于商用CXA700、CXB700和BG47等蓝玻璃；

（3）将该材料应用于高端摄像镜头，在相同曝光、ISO、光圈、白平衡及图像处理参数下，拍摄的水果和户外风景图像具有更高的饱和度和更真实的色彩还原，优于商用CXA700。

4、  研究结果及结论

本研究设计了一系列氟磷酸盐玻璃（55NH H₂PO₄-10M₂CO₃-20NH₄F-10CuO-1Al₂O₃-1Y₂O₃-3BaF₂，M = Li, Na, K, Rb, Cs），通过熔融淬火法制备。随着AM离子半径从Li⁺增大到Cs⁺，T_{400 nm}从43.3%提升至85.4%，λ_T50从631.2 nm红移至668.9 nm，T_{1100 nm}从2.2%降至0.8%。Cs⁺掺杂样品综合性能最优，T_{400 nm} = 85.4%，λ_T50 = 669 nm，T_{1100 nm} = 0.8%，显著优于商用CXA700（T_{1100 nm} = 14.3%）、CXB700（12.21%）和BG47（5.8%）。

图1 设计原理图示与性能对比

图中展示了通过碱金属离子掺杂调控氟磷酸盐玻璃网络，实现高可见光透过与高效近红外截止的协同优化。随着AM离子半径从Li⁺增大至Cs⁺，玻璃颜色由翠绿变为天蓝，T_{400 nm}从43.3%提升至85.4%，λT50从631.2 nm红移至668.9 nm，T_{1100 nm}从2.2%降至0.8%。其中，Cs⁺掺杂玻璃综合性能最优（T_{400 nm} = 85.4%，λ_T50 = 669 nm，T_{1100 nm} = 0.8%），显著优于商用CXA700、CXB700和BG47。该结果表明，大半径AM离子可有效抑制Cu⁺生成、促进Cu²⁺吸收红移，从而实现可见光高透与近红外深度截止的平衡。

图2 玻璃网络结构分析表征

EELS和XANES结果一致表明，随着AM离子半径增大，Cu平均价态升高，Cu²⁺/Cu⁺比值从6.21（Li）增至29.87（Cs），远高于商用CXA700的3.61。O 1s XPS显示，NBO/BO比值从1.06升至1.60，表明玻璃网络逐渐解聚，结构更加“松散”。FTIR和Raman光谱进一步证实，P-O-P桥氧键长增加，P-O^-非桥氧键长缩短，Q¹单元增多。这些结构变化源于大半径AM离子较弱的极化力，降低了其对O^2-电子云的吸引，从而促进桥氧向非桥氧转化，并提高光学碱度；在相同氧分压的熔制条件下，这种更高的光学碱度使氧化还原平衡更倾向于稳定Cu²⁺。

图3 Cu²⁺近红外吸收红移机制分析

EXAFS拟合表明，Cu²⁺以六配位形式存在，形成[CuO₄F₂]^8-单元，配位数约为4（Cu-O）和2（Cu-F）。随着AM离子半径增大，Cu-O键长从1.94 Å增至1.97 Å，Cu-F键长从2.18 Å降至2.15 Å。EPR结果显示，g_∥/A_∥比值从278 cm降至252 cm，证明八面体畸变程度逐渐减小。基于此，大半径AM离子使[CuO₄F₂]^8-八面体沿Z²轴的拉伸畸变减弱，Jahn-Teller效应降低，能级分裂减小，E₁和E₃跃迁能量下降，最终导致Cu²⁺近红外吸收红移。该机制为通过晶体场工程调控近红外截止波长提供了直接实验证据。

图4 户外成像应用性能评估分析

在残余近红外检测系统中，使用800 nm滤光片后，商用CXA700仍存在残余近红外信号，而本工作蓝玻璃则完全阻挡了近红外光，图像完全不可见。在相同曝光、ISO、光圈、白平衡及图像处理参数下，使用本工作蓝玻璃拍摄的水果和户外风景图像，相比商用CXA700具有更高的饱和度和更真实的色彩还原，且无近红外光干扰。进一步在不同时段（早晨、中午、下午）进行色彩保真度测试，结果表明，在早晨和中午高光照强度下，本工作蓝玻璃对近红外干扰的抑制效果明显优于CXA700；在下午低光照条件下，两者均能有效阻挡近红外光并获得满意图像。综合来看，本工作蓝玻璃在多种环境光照条件下均表现出比商用CXA700更优的色彩还原性能。尽管Cs成本较高限制了低成本量产，但K掺杂玻璃以低成本实现了商用级性能，是最有前景的商用蓝玻璃滤光片替代方案。

5、  作者及研究团队简介

胡自毅（第一作者），福建师范大学物理与能源学院硕士生。主要研究方向为Cu离子掺杂氟磷酸盐功能玻璃。

朱双银（共同第一作者），福建师范大学物理与能源学院博士生。主要研究方向为稀土发光材料及其应用，特别是Ce³⁺、Eu²⁺掺杂发光微晶玻璃的开发和性能改进。

陈大钦，福建师范大学物理与能源学院教授，“闽江学者”特聘教授，博士生导师。主要从事无机发光材料与器件研发，以第一和通讯作者在Sci. Adv., Adv. Mater.和Adv. Funct. Mater.等期刊上发表SCI论文200多篇，论文他引>23000次，H因子92，ESI高被引30多篇，授权发明专利20多项。主持国家重点研发课题和子课题、国家自然科学基金项目、福建/浙江省杰青、省重点等各类项目。2020-2026年连续多年同时《全球前2%顶尖科学家》年度和终生榜单。

E-mail addresses: dqchen@fjnu.edu.cn

作者及研究团队在Journal of Advanced Ceramics上发表的相关代表作：

1)      Yang Z, Zheng S, Xi G, et al. Patterned phosphor-in-glass films with efficient thermal management for high-power laser projection displays. Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(11): 2075-2086. https://doi.org/10.26599/JAC.2023.9220809

2)      Ma Y, Li X, Wu L, et al. Preparation of (Lu,Y)₃(Al,Sc,Cr)₂Al₃O₁₂ phosphor ceramics with high thermal stability for near-infrared LED/LD. Journal of Advanced Ceramics, 2024, 13(3): 354-363. https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220860

3)      Pang T, Lin S, You F, et al. Synergistic enhancement of crystallinity and transparency in Tb³⁺-doped nano-glass-ceramics for high-resolution X-ray imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(8): 9221122.

4)      Pang T, Lin S, You F, et al. Synergistic enhancement of crystallinity and transparency in Tb³⁺-doped nano-glass-ceramics for high-resolution X-ray imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2025, 14(8): 9221122. https://doi.org/10.26599/JAC.2025.9221122

5)      Huang Q, Jin S, Wei L, et al. Transparent hybrid metal halide glassy scintillators for tunable multicolor and high-resolution X-ray imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(7): 9221317. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221317

6)      Zhang D, Lin S, Xu Y, et al. Dual-sensitized Gd-based oxyfluoride glass with enhanced scintillation for superior X-ray imaging. Journal of Advanced Ceramics, 2026, 15(3): 9221259. https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221259

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社有限公司出版，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD、WJCI等数据库收录。现为月刊，2025年发文量为202篇；2026年6月发布的SCI影响因子为14，连续6年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科34种同类期刊第1名；2026年2月发布的WJCI影响因子为15.350，位列“陶瓷学”26种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2026年入选北京市支持高水平国际科技期刊建设（强刊提升）项目。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社有限公司自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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