شیشه کوارتز تنها از دی اکسید سیلیکون تشکیل شده است و مدل ساختاری که در حال حاضر پذیرفته شده است، مدل شبکه تصادفی پیوسته (CRN) است. در این مدل، اتمهای Si و O تقریباً ساختارهای چهار وجهی سه بعدی Si{{2} O تقریباً کاملی را تشکیل میدهند. یک نمودار شماتیک که ریزساختار مسطح{4} شیشه کوارتز با خلوص بالا و آرایش فضایی آن را نشان می دهد در شکل نشان داده شده است. پیوندهای شیمیایی Si-O دارای انرژی پیوند بالا و طول پیوند کوتاه هستند که منجر به ساختار فضایی بسیار فشرده می شود. به دلیل یکپارچگی و محکم بودن ساختار شبکه میکروسکوپی،-شیشه کوارتز با خلوص بالا مجموعهای از ویژگیهای جامع عالی و منحصربهفرد مانند انتقال نوری برتر، مقاومت در برابر تشعشع، پایداری حرارتی و پایداری شیمیایی را نشان میدهد.
تاریخچه تهیه شیشه کوارتز به سال 1839 برمی گردد، زمانی که گاندین فرانسوی با ذوب ماسه کوارتز با شعله هیدروژن{1}} با موفقیت یک قطعه مات از شیشه کوارتز تولید کرد. از آن زمان، کشورهای سراسر جهان به طور فعال در تحقیق و توسعه فناوری های تولید شیشه کوارتز شرکت کرده اند. روشهای تولید جدید ظهور کردهاند، فرآیندهای تولید به طور مداوم بهبود یافتهاند و صنعت رشد سریعی را تجربه کرده است.
روش تصفیه گاز شامل استفاده از شعله هیدروژن{0}}اکسیژن برای ذوب کوارتز طبیعی و سپس رسوب تدریجی مواد مذاب بر روی سطح هدف شیشه کوارتز برای به دست آوردن شمش شیشه کوارتز است. مواد اولیه برای هر دو روش ذوب الکتریکی و روش پالایش گاز، ماسه کوارتز است. شیشه کوارتز{3}}با خلوص بالا الزامات بسیار سختی برای شن کوارتز دارد، اما منابع جهانی- سنگ معدن کوارتز با خلوص بالا عمدتاً در کشورهایی مانند ایالات متحده، نروژ و استرالیا قرار دارند. چین مصرف کننده اصلی-ماسه کوارتز با خلوص بالا است، اما منابع- سنگ معدن کوارتز با خلوص بالا عمدتاً به واردات متکی هستند. درجه بالای اتکا به واردات مواد خام ممکن است بر ثبات توسعه صنعتی تأثیر بگذارد. بنابراین، توسعه فرآیند آماده سازی برای شیشه کوارتز مصنوعی از اهمیت ویژه ای برخوردار است.
فرآیند تهیه شیشه کوارتز مصنوعی عمدتاً شامل رسوب شیمیایی بخار (رسوب بخار شیمیایی، CVD)، رسوب شیمیایی بخار پلاسما (PCVD)، روش رسوب شیمیایی غیرمستقیم بخار و روش سیل{0}}ژل است.
شیشه کوارتز را می توان بر اساس شفافیت به شیشه کوارتز مات و شیشه کوارتز شفاف طبقه بندی کرد:
شیشه کوارتز مات حاوی تعداد زیادی حباب ریز و سایر ذرات پراکنده است که ظاهری مات یا نیمه{0}}مادر نشان می دهد. می توان از آن برای ساخت راکتورهای سنتز، شیشه نوری، و بوته های ذوب برای سیلیکون تک کریستال- استفاده کرد.
شیشه کوارتز شفاف حاوی تعداد کمی از نقاط پراکندگی حباب است که معمولاً بر حسب ppm بیان می شود. شرایط آماده سازی شیشه کوارتز شفاف نسبت به شیشه کوارتز مات سخت تر است و دامنه کاربرد وسیع تری دارد. این یک ماده مهم برای تهیه-قطعات نوری با کیفیت بالا است.
عملکرد شیشه کوارتز ارتباط نزدیکی با خلوص شیمیایی آن دارد که تحت تأثیر مواد اولیه و فرآیند آماده سازی است. عیوب رایج در شیشه کوارتز را می توان به دو دسته عیوب ساختاری و عیوب ماکروسکوپی تقسیم کرد. همانطور که در شکل نشان داده شده است، در طول فرآیند رشد کریستال های کوارتز طبیعی، ناگزیر عیوب مختلفی تولید می شود. در فرآیند تهیه محصولات شیشه ای، به دلیل محدودیت های فرآیند آماده سازی و محیط عملیاتی، ممکن است ناخالصی های مختلفی وارد شود، تنش پسماند ایجاد شود و در نتیجه عیوب ساختاری و عیوب ماکروسکوپی رخ دهد. عیوب ساختاری شیشه کوارتز ناشی از ورود ناخالصیها به شبکه اتمی Si{4}}O است که عمدتاً شامل ناخالصیهای فلزی و گروههای هیدروکسیل است: ناخالصیهای فلزی عمدتاً از ماسه کوارتز میآیند و ناخالصیهای فلزی مانند آهن و کروم میتوانند منجر به تضعیف جذب شوند. گروه های هیدروکسیل در شیشه کوارتز معمولاً از شعله های هیدروژن-اکسیژن می آیند. گروههای هیدروکسیل بر پایداری پیوند Si-O تأثیر میگذارند، پایداری شیمیایی شیشه کوارتز را کاهش میدهند، وقوع پدیدههای تبلور را افزایش میدهند و در عین حال، گروههای هیدروکسیل تلفات نوری را در مناطق نزدیک-مادون قرمز و متوسط{10}مادون قرمز افزایش میدهند. نوارهای جذب ارتعاش پیوندهای Si{12}}OH در طول موج های خاص مانند 2.72، 1.39 و 0.9 میکرومتر بر کاربرد شیشه کوارتز در زمینه فیبرهای نوری و لیزر تأثیر می گذارد.
عیوب ماکروسکوپی شیشه کوارتز عمدتاً شامل حباب، آخال، راه راه و ترک و غیره است که این عیوب معمولاً به دلیل خلوص ناکافی مواد اولیه یا فرآیند تهیه نامناسب ایجاد می شود. ویسکوزیته کوارتز در حالت مذاب زیاد است و حباب های داخلی به سختی به خودی خود خارج می شوند. اگر فرآیند ذوب سخت نباشد، ممکن است پدیده ای نیز وجود داشته باشد که مواد اولیه داخلی قبل از محصور شدن توسط کوارتز مذاب روی سطح کاملاً ذوب نشده باشند. در عین حال، شیشه کوارتز یک رسانای حرارتی ضعیف است. در طول فرآیند خنکسازی، تغییرات دما در سطح و فضای داخلی ناهماهنگ است، یک گرادیان دمایی بزرگ ایجاد میکند، استرس حرارتی ایجاد میکند و استرس حرارتی بیش از حد ممکن است حتی باعث ترکخوردگی موضعی شود. کاهش عیوب مختلف در داخل شیشه کوارتز و اطمینان از خواص نوری عالی آن از اهمیت حیاتی برخوردار است.
در فرآیند تهیه شیشه کوارتز به روش غیرمستقیم CVD، از یک سو، از ترکیبات حاوی{0}سیلیکون- با خلوص بالا برای کاهش محتوای ناخالصی های فلزی استفاده می شود. از سوی دیگر، تف جوشی برای دهیدروکسیلاسیون استفاده می شود، به طور موثری غلظت هیدروکسیل شیشه کوارتز را کاهش می دهد، آن را در عملکرد انتقال اشعه ماوراء بنفش عمیق، با آستانه بالاتر برای مقاومت در برابر آسیب لیزر، و افزایش بیشتر خواص نوری آن برتری می بخشد.
با این حال، هنگامی که شیشه کوارتز در دماهای بالا گرم می شود و سپس تا دمای اتاق خنک می شود، تنش حرارتی ایجاد می شود و تنش ناهموار داخلی تأثیر قابل توجهی بر خواص نوری محصول خواهد داشت. توزیع ناهموار تنش باعث تغییر ضریب شکست نواحی مختلف شیشه کوارتز و در نتیجه تغییر در مسیر نوری و شدت نور عبوری نور از شیشه کوارتز و ایجاد شکست و پراکندگی ناهموار و کاهش یکنواختی نوری محصول می شود. در همان زمان، اثر انکسار مضاعف ناشی از استرس{2}} باعث میشود که جبهه موج پرتو نور منحرف شود. در دستگاههای لیزری پرقدرت، اعوجاج جبهه موج مستقیماً بر پایداری پرتو لیزر تأثیر میگذارد و استرس داخلی نیز ممکن است منجر به کاهش مقاومت آسیب لیزر شیشه کوارتز شود و عمر مفید و قابلیت اطمینان آن را کاهش دهد.
برای دستگاه های موجبر نوری مانند گریتینگ های موجبر آرایه ای، لیزرها، فیلترهای قابل تنظیم و غیره، انکسار مضاعف استرس نیز موضوعی است که نمی توان آن را نادیده گرفت. با توجه به اثر دوشکستگی تنش، ویژگیهای انتشار نور تغییر میکند و باعث تغییر قطبش و کاهش وابسته به قطبش{2}}میشود. ناحیه تحت فشار حتی ممکن است شکل حالت دستگاه موجبر نوری را تغییر دهد و عملکرد و پایداری دستگاه را به طور جدی تحت تأثیر قرار دهد.
با کنترل تنش در شیشه کوارتز، شرکت ما می تواند از ایجاد عیوب جدی مانند ترک خوردگی جلوگیری کند، از خواص نوری عالی آن اطمینان حاصل کند، در نتیجه عملکرد و قابلیت اطمینان شیشه کوارتز را بهبود بخشد و آن را قادر سازد تا نیازهای کاربردهای مختلف نوری را برآورده کند و نقش مهمی در کاربردهای صنعتی ایفا کند.
