Quarzglas besteht ausschließlich aus Siliziumdioxid und das derzeit weithin akzeptierte Strukturmodell ist das Continuous Random Network (CRN)-Modell. In diesem Modell bilden Si- und O-Atome nahezu perfekte dreidimensionale Si-O-Tetraederstrukturen. Ein schematisches Diagramm, das die planare Mikrostruktur von hochreinem Quarzglas und seine räumliche Anordnung veranschaulicht, ist in der Abbildung dargestellt. Die chemischen Si-O-Bindungen haben eine hohe Bindungsenergie und eine kurze Bindungslänge, was zu einer äußerst kompakten räumlichen Struktur führt. Aufgrund der Integrität und Dichtheit seiner mikroskopischen Netzwerkstruktur weist hochreines Quarzglas eine Reihe hervorragender und einzigartiger umfassender Eigenschaften auf, wie z. B. überlegene optische Durchlässigkeit, Strahlungsbeständigkeit, thermische Stabilität und chemische Stabilität.
Die Geschichte der Quarzglasherstellung reicht bis ins Jahr 1839 zurück, als es dem Franzosen Gandin gelang, durch das Schmelzen von Quarzsand mit einer Wasserstoff--Sauerstoffflamme ein undurchsichtiges Stück Quarzglas herzustellen. Seitdem engagieren sich Länder auf der ganzen Welt aktiv in der Forschung und Entwicklung von Quarzglas-Herstellungstechnologien. Neue Produktionsmethoden sind entstanden, Herstellungsprozesse wurden kontinuierlich verbessert und die Branche verzeichnete ein rasantes Wachstum.
Bei der Gasraffinierungsmethode wird mit einer Wasserstoff-{0}}Sauerstoffflamme natürlicher Quarz geschmolzen und anschließend das geschmolzene Material nach und nach auf der Oberfläche eines Quarzglas-Targets abgeschieden, um einen Quarzglasbarren zu erhalten. Der Rohstoff sowohl für das elektrische Schmelzverfahren als auch für das Gasraffinierungsverfahren ist Quarzsand. Hoch{3}}Quarzglas hat sehr strenge Anforderungen an Quarzsand, aber die weltweiten Quellen für hoch{4}reines Quarzerz liegen hauptsächlich in Ländern wie den Vereinigten Staaten, Norwegen und Australien. China ist ein großer Abnehmer von hochreinem Quarzsand, die Quellen für hochreines Quarzerz sind jedoch hauptsächlich auf Importe angewiesen. Die hohe Abhängigkeit von Rohstoffimporten kann die Stabilität der industriellen Entwicklung beeinträchtigen. Daher ist die Entwicklung des Herstellungsprozesses für synthetisches Quarzglas besonders wichtig.
Der Herstellungsprozess von synthetischem Quarzglas umfasst hauptsächlich die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD), die plasmachemische Gasphasenabscheidung (PCVD), das indirekte chemische Gasphasenabscheidungsverfahren und das Sol-Gel-Verfahren.
Quarzglas kann aufgrund seiner Transparenz auch in opakes Quarzglas und transparentes Quarzglas eingeteilt werden:
Undurchsichtiges Quarzglas enthält eine große Anzahl winziger Bläschen und anderer Streupartikel, die ein undurchsichtiges oder halb{0}}undurchsichtiges Aussehen verleihen. Es kann zur Herstellung von Synthesereaktoren, optischem Glas und Schmelztiegeln für einkristallines Silizium verwendet werden.
Transparentes Quarzglas enthält eine geringe Anzahl von Blasenstreupunkten, die normalerweise in ppm ausgedrückt werden. Die Herstellungsbedingungen für transparentes Quarzglas sind strenger als für undurchsichtiges Quarzglas und es hat ein breiteres Anwendungsspektrum. Es ist ein wichtiges Material zur Herstellung hochwertiger optischer Komponenten.
Die Leistungsfähigkeit von Quarzglas hängt eng mit seiner chemischen Reinheit zusammen, die von den Rohstoffen und dem Herstellungsprozess beeinflusst wird. Häufige Defekte bei Quarzglas lassen sich in zwei Kategorien einteilen: strukturelle Defekte und makroskopische Defekte. Wie in der Abbildung dargestellt, entstehen während des Wachstumsprozesses natürlicher Quarzkristalle zwangsläufig verschiedene Defekte. Beim Herstellungsprozess von Glasprodukten können aufgrund der Einschränkungen des Herstellungsprozesses und der Betriebsumgebung verschiedene Verunreinigungen eingebracht werden, Restspannungen entstehen und somit strukturelle und makroskopische Defekte auftreten. Die strukturellen Defekte von Quarzglas werden durch die Einführung von Verunreinigungen in das Si-O-Atomgitter verursacht, darunter hauptsächlich Metallverunreinigungen und Hydroxylgruppen: Metallverunreinigungen stammen hauptsächlich aus Quarzsand, und Metallverunreinigungen wie Fe und Cr können zu einer Absorptionsschwächung führen. Die Hydroxylgruppen in Quarzglas stammen normalerweise aus Wasserstoff--Sauerstoffflammen. Die Hydroxylgruppen beeinträchtigen die Stabilität der Si-O-Bindung, verringern die chemische Stabilität von Quarzglas, fördern das Auftreten von Kristallisationsphänomenen und erhöhen gleichzeitig den optischen Verlust im nahen -Infrarot- und mittleren -Infrarot-Wellenlängenbereich. Die Schwingungsabsorptionsbanden von Si-OH-Bindungen bei bestimmten Wellenlängen wie 2,72, 1,39 und 0,9 μm wirken sich auf die Anwendung von Quarzglas in den Bereichen optische Fasern und Laser aus.
Zu den makroskopischen Defekten von Quarzglas zählen hauptsächlich Blasen, Einschlüsse, Streifen und Risse usw. Diese Defekte entstehen meist durch unzureichende Reinheit der Rohstoffe oder unsachgemäßen Aufbereitungsprozesses. Die Viskosität von Quarz im geschmolzenen Zustand ist hoch und die inneren Blasen können nur schwer von selbst entweichen. Wenn der Schmelzprozess nicht streng ist, kann es auch zu dem Phänomen kommen, dass die inneren Rohstoffe nicht vollständig geschmolzen sind, bevor sie von dem bereits geschmolzenen Quarz an der Oberfläche eingekapselt werden. Gleichzeitig ist Quarzglas ein schlechter Wärmeleiter. Während des Abkühlvorgangs sind die Temperaturänderungen an der Oberfläche und im Inneren uneinheitlich, wodurch ein großer Temperaturgradient entsteht, der thermische Spannungen erzeugt, und übermäßige thermische Spannungen können sogar lokale Risse verursachen. Es ist von entscheidender Bedeutung, verschiedene Defekte im Inneren von Quarzglas zu reduzieren und dessen hervorragende optische Eigenschaften sicherzustellen.
Bei der Herstellung von Quarzglas im indirekten CVD-Verfahren werden einerseits hoch{0}}reine siliziumhaltige-Verbindungen eingesetzt, um den Gehalt an metallischen Verunreinigungen zu reduzieren. Andererseits wird das Sintern zur Dehydroxylierung eingesetzt, wodurch die Hydroxylkonzentration von Quarzglas effektiv reduziert wird, wodurch die Transmissionsleistung im tiefen Ultraviolett verbessert wird, die Schwelle für die Widerstandsfähigkeit gegen Laserschäden höher ist und die optischen Eigenschaften weiter verbessert werden.
Wenn Quarzglas jedoch auf hohe Temperaturen erhitzt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, entstehen thermische Spannungen, und die ungleichmäßigen inneren Spannungen haben erhebliche Auswirkungen auf die optischen Eigenschaften des Produkts. Die ungleichmäßige Spannungsverteilung führt dazu, dass sich der Brechungsindex verschiedener Bereiche des Quarzglases ändert, was zu Änderungen im optischen Weg und der Lichtintensität des durch das Quarzglas gelangenden Lichts führt, was zu ungleichmäßiger Brechung und Streuung führt und die optische Gleichmäßigkeit des Produkts verringert. Gleichzeitig führt der spannungsinduzierte Doppelbrechungseffekt zu einer Verzerrung der Wellenfront des Lichtstrahls. Bei Hochleistungslasergeräten wirkt sich die Verzerrung der Wellenfront direkt auf die Stabilität des Laserstrahls aus, und die innere Spannung kann auch zu einer Verringerung der Widerstandsfähigkeit von Quarzglas gegen Laserschäden führen, was seine Lebensdauer und Zuverlässigkeit verringert.
Bei optischen Wellenleitergeräten wie Array-Wellenleitergittern, Lasern, abstimmbaren Filtern usw. ist Spannungsdoppelbrechung ebenfalls ein Problem, das nicht ignoriert werden kann. Aufgrund des Spannungsdoppelbrechungseffekts werden die Ausbreitungseigenschaften des Lichts verändert, was zu einer Polarisationsverschiebung und einem polarisationsabhängigen Verlust führt. Der beanspruchte Bereich kann sogar die Modenform des optischen Wellenleitergeräts verändern, was die Leistung und Stabilität des Geräts ernsthaft beeinträchtigt.
Durch die Kontrolle der Spannungen im Quarzglas kann unser Unternehmen die Entstehung schwerwiegender Defekte wie Risse vermeiden, seine hervorragenden optischen Eigenschaften sicherstellen, dadurch die Ausbeute und Zuverlässigkeit von Quarzglas verbessern und es in die Lage versetzen, die Anforderungen verschiedener optischer Anwendungen zu erfüllen und eine wichtige Rolle in industriellen Anwendungen zu spielen
