Kvartsglass består utelukkende av silisiumdioksid, og den for tiden allment aksepterte strukturelle modellen er den kontinuerlige tilfeldige nettverksmodellen (CRN). I denne modellen danner Si- og O-atomer nesten perfekte tre-dimensjonale Si-O-tetraedriske strukturer. Et skjematisk diagram som illustrerer den plane mikrostrukturen til høy-rent kvartsglass og dets romlige arrangement er vist i figuren. De kjemiske Si-O-bindingene har høy bindingsenergi og kort bindingslengde, noe som resulterer i en svært kompakt romlig struktur. På grunn av integriteten og tettheten til dens mikroskopiske nettverksstruktur, viser høy-kvartsglass en rekke utmerkede og unike omfattende egenskaper, som overlegen optisk transmittans, strålingsmotstand, termisk stabilitet og kjemisk stabilitet.
Historien om fremstilling av kvartsglass går tilbake til 1839, da franskmannen Gandin med suksess produserte et ugjennomsiktig stykke kvartsglass ved å smelte kvartssand med en hydrogen-oksygenflamme. Siden den gang har land rundt om i verden aktivt engasjert seg i forskning og utvikling av produksjonsteknologier for kvartsglass. Nye produksjonsmetoder har dukket opp, produksjonsprosesser har kontinuerlig forbedret seg, og industrien har opplevd rask vekst.
Gassraffineringsmetoden innebærer å bruke en hydrogen-oksygenflamme for å smelte naturlig kvarts, og deretter gradvis avsette det smeltede materialet på overflaten av et kvartsglassmål for å oppnå en blokk av kvartsglass. Råvarene for både den elektriske smeltemetoden og gassraffineringsmetoden er kvartssand. Kvartsglass med høy-renhet har svært strenge krav til kvartssand, men de globale kildene til høy-kvartsmalm er hovedsakelig lokalisert i land som USA, Norge og Australia. Kina er en stor forbruker av høy-kvartssand, men kildene til høy-kvartsmalm er hovedsakelig avhengige av import. Den høye graden av avhengighet av råvareimport kan påvirke stabiliteten i industriell utvikling. Derfor er det spesielt viktig å utvikle forberedelsesprosessen for syntetisk kvartsglass.
Fremstillingsprosessen for syntetisk kvartsglass inkluderer hovedsakelig kjemisk dampavsetning (Chemical Vapor Deposition, CVD), plasma kjemisk dampavsetning (PCVD), indirekte kjemisk dampavsetningsmetode og sol-gelmetode.
Kvartsglass kan også klassifiseres i ugjennomsiktig kvartsglass og gjennomsiktig kvartsglass basert på gjennomsiktigheten:
Ugjennomsiktig kvartsglass inneholder et stort antall små bobler og andre spredningspartikler, som gir et ugjennomsiktig eller semi-ugjennomsiktig utseende. Den kan brukes til å produsere syntesereaktorer, optisk glass og smeltedigler for enkelt-silisium.
Gjennomsiktig kvartsglass inneholder et lite antall boblespredningspunkter, vanligvis uttrykt i ppm. Forberedelsesbetingelsene for gjennomsiktig kvartsglass er strengere enn for ugjennomsiktig kvartsglass, og det har et bredere bruksområde. Det er et viktig materiale for å lage optiske komponenter av høy-kvalitet.
Ytelsen til kvartsglass er nært knyttet til dets kjemiske renhet, som påvirkes av råvarene og tilberedningsprosessen. Vanlige feil i kvartsglass kan deles inn i to kategorier: strukturelle defekter og makroskopiske defekter. Som vist i figuren, under vekstprosessen av naturlige kvartskrystaller, produseres det uunngåelig forskjellige defekter. I fremstillingsprosessen av glassprodukter, på grunn av begrensningene i fremstillingsprosessen og driftsmiljøet, kan ulike urenheter introduseres, restspenninger kan genereres, og dermed kan strukturelle defekter og makroskopiske defekter oppstå. De strukturelle defektene til kvartsglass er forårsaket av innføring av urenheter i Si-O-atomnettet, hovedsakelig inkludert metallurenheter og hydroksylgrupper: Metallurenheter kommer hovedsakelig fra kvartssand, og metallurenheter som Fe og Cr kan føre til absorpsjonsdempning. Hydroksylgruppene i kvartsglass kommer vanligvis fra hydrogen-oksygenflammer. Hydroksylgruppene vil påvirke stabiliteten til Si-O-bindingen, redusere den kjemiske stabiliteten til kvartsglass, fremme forekomsten av krystalliseringsfenomener, og samtidig vil hydroksylgruppene øke det optiske tapet i de nære-infrarøde og mellom-infrarøde bølgelengdeområdene. Vibrasjonsabsorpsjonsbåndene til Si-OH-bindinger ved spesifikke bølgelengder som 2,72, 1,39 og 0,9 μm vil påvirke bruken av kvartsglass i felt av optiske fibre og lasere.
De makroskopiske defektene til kvartsglass inkluderer hovedsakelig bobler, inneslutninger, striper og sprekker osv. Disse defektene oppstår vanligvis på grunn av utilstrekkelig renhet av råvarene eller feil tilberedningsprosess. Viskositeten til kvarts i smeltet tilstand er høy, og de indre boblene er vanskelige å unnslippe av seg selv. Hvis smelteprosessen ikke er streng, kan det også være et fenomen hvor de interne råvarene ikke har smeltet helt før de er innkapslet av den allerede smeltede kvartsen på overflaten. Samtidig er kvartsglass en dårlig varmeleder. Under kjøleprosessen er temperaturendringer på overflaten og interiøret inkonsekvente, og danner en stor temperaturgradient, genererer termisk stress, og overdreven termisk stress kan til og med forårsake lokal sprekkdannelse. Å redusere ulike defekter inne i kvartsglass og sikre dets utmerkede optiske egenskaper er av avgjørende betydning.
I prosessen med å tilberede kvartsglass ved den indirekte CVD-metoden, brukes på den ene siden høy-ren silisium-forbindelser for å redusere innholdet av metallurenheter. På den annen side brukes sintring for dehydroksylering, som effektivt reduserer hydroksylkonsentrasjonen i kvartsglass, noe som gjør det mer overlegent i dyp ultrafiolett overføringsytelse, med en høyere terskel for motstand mot laserskader, og ytterligere forbedre dets optiske egenskaper.
Men når kvartsglass varmes opp ved høye temperaturer og deretter avkjøles til romtemperatur, genereres termisk spenning, og den ujevne indre spenningen vil ha en betydelig innvirkning på de optiske egenskapene til produktet. Den ujevne fordelingen av stress vil føre til at brytningsindeksen til forskjellige områder av kvartsglass endres, noe som resulterer i endringer i den optiske banen og lysintensiteten til lyset som passerer gjennom kvartsglasset, genererer ujevn brytning og spredning, og reduserer den optiske jevnheten til produktet. Samtidig vil den spennings-induserte dobbeltbrytningseffekten føre til at bølgefronten til lysstrålen blir forvrengt. I laserenheter med høy-effekt vil forvrengningen av bølgefronten direkte påvirke stabiliteten til laserstrålen, og den indre spenningen kan også føre til en reduksjon i laserskademotstanden til kvartsglass, noe som reduserer levetiden og påliteligheten.
For optiske bølgelederenheter som array-bølgeledergitter, lasere, avstembare filtre, etc., er spenningsdobbeltbrytning også et problem som ikke kan ignoreres. På grunn av spenningsdobbeltbrytningseffekten endres lysets forplantningsegenskaper, noe som forårsaker polarisasjonsforskyvning og polarisasjonsavhengig tap. Det belastede området kan til og med endre modusformen til den optiske bølgelederenheten, noe som alvorlig påvirker ytelsen og stabiliteten til enheten.
Ved å kontrollere belastningen i kvartsglass, kan vårt firma unngå generering av alvorlige defekter som sprekker, sikre dets utmerkede optiske egenskaper, og dermed forbedre utbyttet og påliteligheten til kvartsglass, og gjøre det i stand til å møte behovene til ulike optiske applikasjoner og spille en viktig rolle i industrielle applikasjoner
