Kwartsglas bestaat uitsluitend uit siliciumdioxide en het momenteel algemeen aanvaarde structurele model is het Continuous Random Network (CRN)-model. In dit model vormen Si- en O-atomen bijna perfecte drie-dimensionale Si-O-tetraëdrische structuren. In de figuur wordt een schematisch diagram getoond dat de vlakke microstructuur van hoog-zuiver kwartsglas en de ruimtelijke opstelling ervan illustreert. De chemische bindingen van Si-O hebben een hoge bindingsenergie en een korte bindingslengte, wat resulteert in een zeer compacte ruimtelijke structuur. Vanwege de integriteit en dichtheid van de microscopische netwerkstructuur vertoont hoog-zuiver kwartsglas een reeks uitstekende en unieke uitgebreide eigenschappen, zoals superieure optische transmissie, stralingsweerstand, thermische stabiliteit en chemische stabiliteit.
De geschiedenis van de bereiding van kwartsglas gaat terug tot 1839, toen de Fransman Gandin met succes een ondoorzichtig stuk kwartsglas produceerde door kwartszand te smelten met een waterstof-zuurstofvlam. Sindsdien zijn landen over de hele wereld actief betrokken bij onderzoek en ontwikkeling van kwartsglasproductietechnologieën. Er zijn nieuwe productiemethoden ontstaan, productieprocessen zijn voortdurend verbeterd en de industrie heeft een snelle groei doorgemaakt.
De gasraffinagemethode omvat het gebruik van een waterstof-zuurstofvlam om natuurlijk kwarts te smelten, en het vervolgens geleidelijk afzetten van het gesmolten materiaal op het oppervlak van een kwartsglasdoel om een kwartsglasstaaf te verkrijgen. De grondstoffen voor zowel de elektrische smeltmethode als de gasraffinagemethode zijn kwartszand. Hoog-zuiver kwartsglas stelt zeer strenge eisen aan kwartszand, maar de mondiale bronnen van hoog-zuiver kwartserts bevinden zich voornamelijk in landen als de Verenigde Staten, Noorwegen en Australië. China is een grote consument van hoog-zuiver kwartszand, maar de bronnen van hoog-zuiver kwartszand zijn voornamelijk afhankelijk van import. De hoge mate van afhankelijkheid van de invoer van grondstoffen kan de stabiliteit van de industriële ontwikkeling aantasten. Daarom is het ontwikkelen van het bereidingsproces voor synthetisch kwartsglas bijzonder belangrijk.
Het bereidingsproces van synthetisch kwartsglas omvat voornamelijk chemische dampdepositie (Chemical Vapour Deposition, CVD), plasma-chemische dampdepositie (PCVD), indirecte chemische dampdepositie en sol-gel-methode.
Kwartsglas kan op basis van zijn transparantie ook worden ingedeeld in ondoorzichtig kwartsglas en transparant kwartsglas:
Ondoorzichtig kwartsglas bevat een groot aantal kleine belletjes en andere verstrooiende deeltjes, waardoor het er ondoorzichtig of half{0}}ondoorzichtig uitziet. Het kan worden gebruikt voor de vervaardiging van synthesereactoren, optisch glas en smeltkroezen voor monokristallijn silicium.
Transparant kwartsglas bevat een klein aantal belverstrooiingspunten, meestal uitgedrukt in ppm. De voorbereidingsvoorwaarden voor transparant kwartsglas zijn strenger dan die voor ondoorzichtig kwartsglas en het toepassingsbereik is breder. Het is een belangrijk materiaal voor het vervaardigen van optische componenten van hoge-kwaliteit.
De prestaties van kwartsglas hangen nauw samen met de chemische zuiverheid ervan, die wordt beïnvloed door de grondstoffen en het bereidingsproces. Veel voorkomende defecten in kwartsglas kunnen in twee categorieën worden verdeeld: structurele defecten en macroscopische defecten. Zoals weergegeven in de figuur, ontstaan tijdens het groeiproces van natuurlijke kwartskristallen onvermijdelijk verschillende defecten. Bij het bereidingsproces van glasproducten kunnen, vanwege de beperkingen van het bereidingsproces en de werkomgeving, verschillende onzuiverheden worden geïntroduceerd, er kunnen restspanningen worden gegenereerd en er kunnen dus structurele defecten en macroscopische defecten optreden. De structurele defecten van kwartsglas worden veroorzaakt door de introductie van onzuiverheden in het Si-O atomaire rooster, voornamelijk metaalonzuiverheden en hydroxylgroepen: metaalonzuiverheden komen voornamelijk uit kwartszand en metaalonzuiverheden zoals Fe en Cr kunnen leiden tot absorptieverzwakking. De hydroxylgroepen in kwartsglas zijn meestal afkomstig van waterstof-zuurstofvlammen. De hydroxylgroepen zullen de stabiliteit van de Si-O-binding beïnvloeden, de chemische stabiliteit van kwartsglas verminderen, het optreden van kristallisatieverschijnselen bevorderen, en tegelijkertijd zullen de hydroxylgroepen het optische verlies in de nabij-infrarode en midden-infrarode golflengtegebieden vergroten. De trillingsabsorptiebanden van Si-OH-bindingen bij specifieke golflengten zoals 2,72, 1,39 en 0,9 μm zullen de toepassing van kwartsglas op het gebied van optische vezels en lasers beïnvloeden.
De macroscopische defecten van kwartsglas omvatten voornamelijk bellen, insluitsels, strepen en scheuren, enz. Deze defecten treden meestal op als gevolg van onvoldoende zuiverheid van de grondstoffen of een onjuist bereidingsproces. De viscositeit van kwarts in gesmolten toestand is hoog en de interne belletjes zijn moeilijk zelf te ontsnappen. Als het smeltproces niet strikt is, kan er ook een fenomeen optreden waarbij de interne grondstoffen niet volledig zijn gesmolten voordat ze zijn ingekapseld door het reeds gesmolten kwarts op het oppervlak. Tegelijkertijd is kwartsglas een slechte thermische geleider. Tijdens het koelproces zijn de temperatuurveranderingen aan het oppervlak en de binnenkant inconsistent, waardoor een grote temperatuurgradiënt ontstaat, waardoor thermische spanningen ontstaan, en overmatige thermische spanningen kunnen zelfs plaatselijke scheuren veroorzaken. Het verminderen van verschillende defecten in kwartsglas en het garanderen van de uitstekende optische eigenschappen is van cruciaal belang.
Bij het proces van het bereiden van kwartsglas volgens de indirecte CVD-methode worden enerzijds zeer-zuivere silicium-bevattende verbindingen gebruikt om het gehalte aan metaalonzuiverheden te verminderen. Aan de andere kant wordt sinteren gebruikt voor dehydroxylering, waardoor de hydroxylconcentratie van kwartsglas effectief wordt verminderd, waardoor het superieur wordt wat betreft diep-ultraviolette transmissieprestaties, met een hogere drempel voor weerstand tegen laserschade, en de optische eigenschappen ervan verder worden verbeterd.
Wanneer kwartsglas echter op hoge temperaturen wordt verwarmd en vervolgens wordt afgekoeld tot kamertemperatuur, ontstaat er thermische spanning, en de ongelijkmatige interne spanning zal een aanzienlijke invloed hebben op de optische eigenschappen van het product. De ongelijkmatige verdeling van de spanning zal ervoor zorgen dat de brekingsindex van verschillende delen van kwartsglas verandert, wat resulteert in veranderingen in het optische pad en de lichtintensiteit van het licht dat door het kwartsglas gaat, waardoor ongelijkmatige breking en verstrooiing ontstaat en de optische uniformiteit van het product wordt verminderd. Tegelijkertijd zal het door spanning-geïnduceerde dubbele brekingseffect ervoor zorgen dat het golffront van de lichtbundel wordt vervormd. Bij laserapparaten met hoog-vermogen zal de vervorming van het golffront rechtstreeks van invloed zijn op de stabiliteit van de laserstraal, en de interne spanning kan ook leiden tot een afname van de laserbeschadigingsweerstand van kwartsglas, waardoor de levensduur en betrouwbaarheid ervan afnemen.
Voor optische golfgeleiderapparaten zoals array-golfgeleiderroosters, lasers, afstembare filters, enz. is dubbele spanningsbreking ook een probleem dat niet kan worden genegeerd. Als gevolg van het dubbele brekingseffect door spanning worden de voortplantingskarakteristieken van licht veranderd, waardoor polarisatieverschuiving en polarisatie-afhankelijk verlies ontstaan. Het belaste gebied kan zelfs de modusvorm van het optische golfgeleiderapparaat veranderen, waardoor de prestaties en stabiliteit van het apparaat ernstig worden aangetast.
Door de spanning in kwartsglas te beheersen, kan ons bedrijf het ontstaan van ernstige defecten zoals scheuren vermijden, waardoor de uitstekende optische eigenschappen worden gewaarborgd, waardoor de opbrengst en betrouwbaarheid van kwartsglas worden verbeterd en het in staat wordt gesteld te voldoen aan de behoeften van verschillende optische toepassingen en een belangrijke rol te spelen in industriële toepassingen
