玻璃着色机理及其在光学元件中的应用

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1145

硅酸盐通报 ›› 2026, Vol. 45 ›› Issue (3): 974-993.DOI: 10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1145

玻璃着色机理及其在光学元件中的应用

黄永刚¹^,²^,³(), 李莞林¹^,², 石攀¹^,⁴, 焦朋¹, 独雅婕¹, 王云¹, 付杨¹, 褚淼¹, 张洋¹^,⁵, 贾金升¹^,²^,³

^1.中国建筑材料科学研究总院有限公司玻纤研究院，北京 100024
^2.中国建筑材料科学研究总院有限公司特种光电玻璃行业重点实验室，北京 100024
^3.中国建筑材料科学研究总院有限公司玻璃基功能材料技术创新中心，北京 100024
^4.中建材光芯科技有限公司，枣庄 277101
^5.中建材光子科技有限公司，枣庄 277101

收稿日期:2025-11-17 修订日期:2025-12-25 出版日期:2026-03-20 发布日期:2026-04-10
作者简介:黄永刚（1975—），男，博士，教授。主要从事光纤传像材料及其元器件的研究。E-mail：huangyonggang@cbma.com.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52072357)

Mechanism of Glass Coloration and Its Application in Optical Elements

HUANG Yonggang¹^,²^,³(), LI Guanlin¹^,², SHI Pan¹^,⁴, JIAO Peng¹, DU Yajie¹, WANG Yun¹, FU Yang¹, CHU Miao¹, ZHANG Yang¹^,⁵, JIA Jinsheng¹^,²^,³

^1.Institute of Special Glass Fiber，China Building Materials Academy，Beijing 100024，China
^2.Key Laboratory of Special Optoelectronic Glass in Building Materials Industry，China Building Materials;Academy，Beijing 100024，China
^3.Glass-Based Functional Material Technology Innovation Center，China Building Materials Academy，Beijing 100024，China
^4.CNBM Guangxin Technology Co. ，Ltd. ，Zaozhuang 277101，China
^5.CNBM Photonics Technology Co. ，Ltd. ，Zaozhuang 277101，China

Received:2025-11-17 Revised:2025-12-25 Published:2026-03-20 Online:2026-04-10

摘要/Abstract

摘要：

玻璃着色是光与无序网络相互作用的结果，受成分、价态、局域结构、纳米相及缺陷态多尺度耦合控制。本文在梳理传统经验分类的基础上，系统归纳离子、分子、胶体、色心及结晶等主要着色机制，阐明玻璃基体酸碱性、氧化还原条件与微观结构对吸收峰位置和色度的调控规律；从光场、热场、电化学场及高能辐照四类外场出发，讨论曝光感光过程、电致变色、热诱导纳米晶与胶体、辐照色心演化等过程的时程特征与可逆性；结合透镜表层黑化、光纤传像吸收层制备、滤光与彩色光学玻璃选型等案例，分析色度均匀性、高温辐照稳定性等工程瓶颈。最后本文展望了着色玻璃的演进方向：结合机器学习与大数据进行配方与工艺的快速反演设计；加强与超表面制造、半导体量子点等技术的交叉融合，使着色玻璃从单一显色材料转变为光学调控、显示与感知一体化的多功能智能载体。

关键词: 玻璃着色, 色心, 离子掺杂, 胶体, 电子跃迁, 辐照着色

Abstract:

Glass coloration arises from the interaction of light with a disordered network， governed by the multiscale coupling of composition， valence state， local structure， nanophases and defect states. On the basis of traditional empirical classifications， this review systematically summarizes the main coloration mechanisms， including ionic， molecular， colloids， color-center， as well as crystallization coloration. The glass basicity， redox conditions and microstructural features on absorption peak position and chromaticity is clarified. From the perspective of four types of external fields， such as optical field， thermal field， electrochemical field and high-energy radiation， the time dependence and reversibility of exposure photosensitive process electrochromic process， thermally induced nanocrystals and colloids， and radiation color-center evolution is discussed. Representative applications， such as surface blackening of lenses， preparation of absorbing layers in fiber image guides， and filter and selection of colored optical glass， are used to analyze engineering bottlenecks including chromatic uniformity， high-temperature radiation stability. Finally， we outline future directions for colored glass： integrating machine learning and big-data approaches for rapid inverse design of compositions and processing windows， promoting system diversification and strengthening cross-fertilization with metasurfaces and semiconductor quantum dots， so that colored glass can evolve from a simple color carrier to a multifunctional intelligent platform for optical modulation， display and sensing.

Key words: glass coloration, color-center, ion doping, colloid, electronic transition, radiation coloration

中图分类号:

TQ171

黄永刚, 李莞林, 石攀, 焦朋, 独雅婕, 王云, 付杨, 褚淼, 张洋, 贾金升. 玻璃着色机理及其在光学元件中的应用[J]. 硅酸盐通报, 2026, 45(3): 974-993.

HUANG Yonggang, LI Guanlin, SHI Pan, JIAO Peng, DU Yajie, WANG Yun, FU Yang, CHU Miao, ZHANG Yang, JIA Jinsheng. Mechanism of Glass Coloration and Its Application in Optical Elements[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(3): 974-993.

图/表 11

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Ion	Ion valence	Ion color	Coloring mechanism
Fe	Fe²⁺	Bluish-green	d-d transition， absorbs red and infrared light， transmits bluish-green light^［45-46］
Fe	Fe³⁺	Yellow/brown	Charge transfer transition， absorbs blue light， transmits yellow light^［45-46］
Co	Co²⁺	Deep blue	d-d transition， deep blue in tetrahedral coordination， purple/pink in octahedral coordination^［47］
Ni	Ni²⁺	Brown/purple/gray	Broadband d-d absorption， covers blue， red， and green light， low transmittance， color depends on coordination and concentration^［45］
Cu	Cu²⁺	Bluish-green	d-d transition， absorbs red light， transmits bluish-green light^{［45，48］}
Cu	Cu⁺	Red （in specific matrices）	Depends on coordination and composition （in halogen-containing glasses）， transmits red light^{［45，48］}
Mn	Mn²⁺	Pale color/colorless	d-d transition is weak， only shows pale color^［45］
Mn	Mn³⁺	Purple	Absorbs green light， transmits red light^［45］
Cr	Cr³⁺	Green	d-d transition， absorbs blue and red light， transmits green light^［45-46］
Cr	Cr⁶⁺	Yellow	Charge transfer transition， absorbs blue light， transmits yellow light^［45-46］
V	V³⁺	Green	Similar to Cr³⁺ d-d absorption， absorbs blue and red light， transmits green light^［45］
V	V⁵⁺	Yellow	Typical charge transfer transition， absorbs blue light， transmits yellow light^［45］
Nd	Nd³⁺	Pale purple/pinkish-purple	Typical f-f transition， laser glass active ion， absorbs specific visible light^［9］
Pr	Pr³⁺	Green/yellowish-green	f-f transition with charge transfer， used in laser and luminescent materials^［9］
Er	Er³⁺	Pinkish-red	Absorbs blue-green light， transmits red light^［9］
Ho	Ho³⁺	Yellow/yellowish-orange	Absorbs blue-green light， transmits orange light^［9］
Ce	Ce³⁺	Colorless/pale yellow	Mainly absorbs UV light， weak visible absorption， pale color^{［9， 49］}
Dy	Dy³⁺	Yellowish-white（fluorescent）	f-f transition， emits blue light （479 nm） and green light （574 nm） under UV excitation^［9］
Tm	Tm³⁺	Blue	Co-doped with Yb³⁺， upconverts near-infrared light to blue emission^［9］
Yb	Yb³⁺	Colorless	Sensitizer， transfers energy to other rare earth ions^［9］

Ion	Ion valence	Ion color	Coloring mechanism
Fe	Fe²⁺	Bluish-green	d-d transition， absorbs red and infrared light， transmits bluish-green light^［45-46］
Fe	Fe³⁺	Yellow/brown	Charge transfer transition， absorbs blue light， transmits yellow light^［45-46］
Co	Co²⁺	Deep blue	d-d transition， deep blue in tetrahedral coordination， purple/pink in octahedral coordination^［47］
Ni	Ni²⁺	Brown/purple/gray	Broadband d-d absorption， covers blue， red， and green light， low transmittance， color depends on coordination and concentration^［45］
Cu	Cu²⁺	Bluish-green	d-d transition， absorbs red light， transmits bluish-green light^{［45，48］}
Cu	Cu⁺	Red （in specific matrices）	Depends on coordination and composition （in halogen-containing glasses）， transmits red light^{［45，48］}
Mn	Mn²⁺	Pale color/colorless	d-d transition is weak， only shows pale color^［45］
Mn	Mn³⁺	Purple	Absorbs green light， transmits red light^［45］
Cr	Cr³⁺	Green	d-d transition， absorbs blue and red light， transmits green light^［45-46］
Cr	Cr⁶⁺	Yellow	Charge transfer transition， absorbs blue light， transmits yellow light^［45-46］
V	V³⁺	Green	Similar to Cr³⁺ d-d absorption， absorbs blue and red light， transmits green light^［45］
V	V⁵⁺	Yellow	Typical charge transfer transition， absorbs blue light， transmits yellow light^［45］
Nd	Nd³⁺	Pale purple/pinkish-purple	Typical f-f transition， laser glass active ion， absorbs specific visible light^［9］
Pr	Pr³⁺	Green/yellowish-green	f-f transition with charge transfer， used in laser and luminescent materials^［9］
Er	Er³⁺	Pinkish-red	Absorbs blue-green light， transmits red light^［9］
Ho	Ho³⁺	Yellow/yellowish-orange	Absorbs blue-green light， transmits orange light^［9］
Ce	Ce³⁺	Colorless/pale yellow	Mainly absorbs UV light， weak visible absorption， pale color^{［9， 49］}
Dy	Dy³⁺	Yellowish-white（fluorescent）	f-f transition， emits blue light （479 nm） and green light （574 nm） under UV excitation^［9］
Tm	Tm³⁺	Blue	Co-doped with Yb³⁺， upconverts near-infrared light to blue emission^［9］
Yb	Yb³⁺	Colorless	Sensitizer， transfers energy to other rare earth ions^［9］

Molecule	Valence/composition	Ion color	Coloration mechanism
S	S^2-	Yellow	Semiconductor band absorption， absorbs blue light， transmits yellow light^［56］
Se	Se^2-	Red/orange	Semiconductor band absorption， absorbs blue-green light， transmits red light^［54-56］
Te	Te^2-	Brown/black	Semiconductor band absorption， broad visible light absorption^［57］
CdS	Nanocrystal	Yellow	Semiconductor band absorption， red shift with increasing particle size^［54-56］
CdSe	Nanocrystal	Red	Semiconductor band absorption， significant quantum dot size effect^［54-56］
Fluorescein	Molecule	Yellow-green fluorescence	Fluorescence emission， absorbs blue-green light， emits green light （515 nm）^［58］
Phthalocyanine compounds	Molecule	Blue/green	π-π* conjugated absorption of visible light， used in optical filters^［58］
Spiropyran	Molecule	Colorless→blue	Photochromism， UV excitation triggers visible light absorption （500~600 nm）^［59］
Azodyes	Molecule	Yellow/red	π-π* stacking absorption of visible light， color tunable via molecular structure adjustment^［60］

Molecule	Valence/composition	Ion color	Coloration mechanism
S	S^2-	Yellow	Semiconductor band absorption， absorbs blue light， transmits yellow light^［56］
Se	Se^2-	Red/orange	Semiconductor band absorption， absorbs blue-green light， transmits red light^［54-56］
Te	Te^2-	Brown/black	Semiconductor band absorption， broad visible light absorption^［57］
CdS	Nanocrystal	Yellow	Semiconductor band absorption， red shift with increasing particle size^［54-56］
CdSe	Nanocrystal	Red	Semiconductor band absorption， significant quantum dot size effect^［54-56］
Fluorescein	Molecule	Yellow-green fluorescence	Fluorescence emission， absorbs blue-green light， emits green light （515 nm）^［58］
Phthalocyanine compounds	Molecule	Blue/green	π-π* conjugated absorption of visible light， used in optical filters^［58］
Spiropyran	Molecule	Colorless→blue	Photochromism， UV excitation triggers visible light absorption （500~600 nm）^［59］
Azodyes	Molecule	Yellow/red	π-π* stacking absorption of visible light， color tunable via molecular structure adjustment^［60］

Ion	State	Color	Coloring mechanism
Au	Colloidal particles	Ruby red/purple-red	SPR， particle size affects color： <20 nm （red）， >50 nm （purple）^［63］
Ag	Colloidal particles	Yellow/orange	SPR， prone to oxidation in air^［64-65］
Cu	Colloidal particles	Red/purple-red	SPR， requires protective heat treatment to prevent oxidation^［66］
Pt	Colloidal particles	Blue-gray	SPR， requires high-temperature melting^［67］
Pb	Colloidal particles	Grayish-black	SPR， strong visible light absorption at high concentrations， black appearance^［67］
Bi	Colloidal particles	Dark gray to black	SPR： <20 nm colloids strongly absorb blue light； >30 nm colloids enhance green and red absorption， resulting in broad absorption and black color^［68-69］

玻璃着色机理及其在光学元件中的应用

Mechanism of Glass Coloration and Its Application in Optical Elements

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