Mechanism of Glass Coloration and Its Application in Optical Elements

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2025.1145

Abstract

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

CLC Number:

TQ171

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Figures/Tables 11

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[104]	ZATSEPIN D A， ZATSEPIN A F， BOUKHVALOV D W， et al. Bi-doped silica glass： a combined XPS-DFT study of electronic structure and pleomorphic imperfections［J］. Journal of Alloys and Compounds， 2020， 829： 154459.
[105]	BIBLER N E， HOWITT D G. Radiation effects in silicate glasses： a review［J］. MRS Proceedings， 1988， 125： 263.
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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］