Кварцевое стекло состоит исключительно из диоксида кремния, и в настоящее время широко распространенной структурной моделью является модель непрерывной случайной сети (CRN). В этой модели атомы Si и O образуют почти идеальные трехмерные тетраэдрические структуры Si-O. Принципиальная схема, иллюстрирующая планарную микроструктуру кварцевого стекла высокой-чистоты и ее пространственное расположение, представлена на рисунке. Химические связи Si-O имеют высокую энергию связи и короткую длину связи, что приводит к очень компактной пространственной структуре. Благодаря целостности и герметичности своей микроскопической сетчатой структуры кварцевое стекло высокой-чистоты демонстрирует ряд превосходных и уникальных комплексных свойств, таких как превосходное оптическое пропускание, радиационная стойкость, термическая и химическая стабильность.
История изготовления кварцевого стекла восходит к 1839 году, когда француз Ганден успешно получил непрозрачный кусок кварцевого стекла путем плавления кварцевого песка в водородно-кислородном пламени. С тех пор страны всего мира активно занимаются исследованиями и разработками технологий производства кварцевого стекла. Появились новые методы производства, производственные процессы постоянно совершенствуются, и отрасль переживает быстрый рост.
Метод очистки газа включает использование водородно--кислородного пламени для плавления природного кварца, а затем постепенное осаждение расплавленного материала на поверхность мишени из кварцевого стекла для получения слитка кварцевого стекла. Сырьем как для метода электроплавки, так и для метода газоочистки является кварцевый песок. К кварцевому стеклу высокой-чистоты предъявляются очень строгие требования к кварцевому песку, но глобальные источники кварцевой руды-высокой чистоты в основном расположены в таких странах, как США, Норвегия и Австралия. Китай является крупным потребителем кварцевого песка высокой-чистоты, но источники кварцевой руды-высокой чистоты в основном зависят от импорта. Высокая степень зависимости от импорта сырья может повлиять на стабильность промышленного развития. Поэтому разработка процесса получения синтетического кварцевого стекла приобретает особое значение.
Процесс подготовки синтетического кварцевого стекла в основном включает химическое осаждение из паровой фазы (химическое осаждение из паровой фазы, CVD), плазмохимическое осаждение из паровой фазы (PCVD), метод непрямого химического осаждения из паровой фазы и метод золь-геля.
Кварцевое стекло также можно разделить на непрозрачное кварцевое стекло и прозрачное кварцевое стекло в зависимости от его прозрачности:
Непрозрачное кварцевое стекло содержит большое количество крошечных пузырьков и других рассеивающих частиц, которые создают непрозрачный или полу-непрозрачный вид. Его можно использовать для изготовления реакторов синтеза, оптического стекла и тиглей для плавления монокристаллического кремния.
Прозрачное кварцевое стекло содержит небольшое количество точек рассеяния пузырьков, обычно выражаемое в частях на миллион. Условия изготовления прозрачного кварцевого стекла более жесткие, чем непрозрачного кварцевого стекла, и оно имеет более широкую область применения. Это важный материал для изготовления высококачественных-оптических компонентов.
Характеристики кварцевого стекла тесно связаны с его химической чистотой, на которую влияют сырье и процесс приготовления. Распространенные дефекты кварцевого стекла можно разделить на две категории: структурные дефекты и макроскопические дефекты. Как показано на рисунке, в процессе роста кристаллов природного кварца неизбежно возникают различные дефекты. В процессе изготовления стеклянных изделий из-за ограничений процесса приготовления и рабочей среды могут вноситься различные примеси, создаваться остаточные напряжения и, таким образом, могут возникать структурные дефекты и макроскопические дефекты. Структурные дефекты кварцевого стекла вызваны введением в атомную решетку Si-O примесей, в основном включающих примеси металлов и гидроксильные группы: примеси металлов в основном происходят из кварцевого песка, а примеси металлов, таких как Fe и Cr, могут привести к ослаблению поглощения. Гидроксильные группы в кварцевом стекле обычно образуются в результате водородно-кислородного пламени. Гидроксильные группы будут влиять на стабильность связи Si-O, снижать химическую стабильность кварцевого стекла, способствовать возникновению явлений кристаллизации, и в то же время гидроксильные группы будут увеличивать оптические потери в ближней-инфракрасной и средней-инфракрасной областях длин волн. Полосы поглощения колебаний связей Si-OH на определенных длинах волн, таких как 2,72, 1,39 и 0,9 мкм, будут влиять на применение кварцевого стекла в области оптических волокон и лазеров.
К макроскопическим дефектам кварцевого стекла в основном относятся пузырьки, включения, полосы и трещины и т. д. Эти дефекты обычно возникают из-за недостаточной чистоты сырья или неправильного процесса его подготовки. Вязкость кварца в расплавленном состоянии высока, а внутренние пузырьки трудно выйти сами по себе. Если процесс плавления не является строгим, также может возникнуть явление, когда внутреннее сырье не полностью расплавляется, прежде чем будет заключено в капсулу уже расплавленного кварца на поверхности. В то же время кварцевое стекло является плохим проводником тепла. В процессе охлаждения изменения температуры на поверхности и внутри неравномерны, образуя большой температурный градиент, вызывающий термическое напряжение, а чрезмерное термическое напряжение может даже вызвать локальное растрескивание. Уменьшение различных дефектов внутри кварцевого стекла и обеспечение его превосходных оптических свойств имеет решающее значение.
В процессе получения кварцевого стекла непрямым методом CVD, с одной стороны, используются кремнийсодержащие соединения высокой-чистоты-, позволяющие снизить содержание металлических примесей. С другой стороны, спекание используется для дегидроксилирования, эффективно снижая концентрацию гидроксилов в кварцевом стекле, делая его более превосходным по характеристикам передачи глубокого ультрафиолета, с более высоким порогом устойчивости к лазерному повреждению и дополнительно улучшая его оптические свойства.
Однако когда кварцевое стекло нагревается при высоких температурах, а затем охлаждается до комнатной температуры, возникает тепловое напряжение, и неравномерное внутреннее напряжение будет оказывать существенное влияние на оптические свойства изделия. Неравномерное распределение напряжения приведет к изменению показателя преломления различных областей кварцевого стекла, что приведет к изменениям оптического пути и интенсивности света, проходящего через кварцевое стекло, что приведет к неравномерному преломлению и рассеянию, а также к снижению оптической однородности продукта. В то же время эффект двойного лучепреломления, вызванный напряжением-, приведет к искажению волнового фронта светового луча. В лазерных устройствах большой-мощности искажение волнового фронта напрямую влияет на стабильность лазерного луча, а внутренние напряжения также могут привести к снижению стойкости кварцевого стекла к лазерному повреждению, снижая его срок службы и надежность.
Для оптических волноводных устройств, таких как матричные волноводные решетки, лазеры, перестраиваемые фильтры и т. д., двойное лучепреломление под напряжением также является проблемой, которую нельзя игнорировать. Из-за эффекта двойного лучепреломления под напряжением характеристики распространения света изменяются, вызывая сдвиг поляризации и зависящие от поляризации потери. Напряженная область может даже изменить форму моды оптического волноводного устройства, серьезно влияя на производительность и стабильность устройства.
Контролируя напряжение в кварцевом стекле, наша компания может избежать возникновения серьезных дефектов, таких как растрескивание, обеспечивая его превосходные оптические свойства, тем самым повышая производительность и надежность кварцевого стекла, а также позволяя ему удовлетворять потребности различных оптических приложений и играть важную роль в промышленном применении.
