يتكون زجاج الكوارتز فقط من ثاني أكسيد السيليكون، والنموذج الهيكلي المقبول حاليًا على نطاق واسع هو نموذج الشبكة العشوائية المستمرة (CRN). في هذا النموذج، تشكل ذرات Si وO هياكل رباعية السطوح ثلاثية الأبعاد -Si-O مثالية تقريبًا. يظهر في الشكل رسم تخطيطي يوضح البنية المجهرية المستوية لزجاج الكوارتز عالي النقاء- وترتيبه المكاني. تتمتع الروابط الكيميائية Si-O بطاقة رابطة عالية وطول رابطة قصير، مما يؤدي إلى بنية مكانية مضغوطة للغاية. نظرًا لسلامة وإحكام بنية شبكته المجهرية، يعرض زجاج الكوارتز عالي النقاء-سلسلة من الخصائص الشاملة الممتازة والفريدة من نوعها، مثل النفاذية البصرية الفائقة، ومقاومة الإشعاع، والثبات الحراري، والثبات الكيميائي.
يعود تاريخ تحضير زجاج الكوارتز إلى عام 1839، عندما نجح الفرنسي جاندين في إنتاج قطعة معتمة من زجاج الكوارتز عن طريق صهر رمل الكوارتز بلهب الهيدروجين-الأكسجين. ومنذ ذلك الحين، شاركت البلدان في جميع أنحاء العالم بنشاط في البحث والتطوير لتقنيات تصنيع زجاج الكوارتز. ظهرت طرق إنتاج جديدة، وتحسنت عمليات التصنيع بشكل مستمر، وشهدت الصناعة نموًا سريعًا.
تشتمل طريقة تكرير الغاز على استخدام لهب الهيدروجين-الأكسجين لإذابة الكوارتز الطبيعي، ثم ترسيب المادة المنصهرة تدريجيًا على سطح هدف زجاج الكوارتز للحصول على سبيكة زجاج الكوارتز. المواد الخام لكل من طريقة الصهر الكهربائي وطريقة تكرير الغاز هي رمل الكوارتز. زجاج الكوارتز عالي النقاء- له متطلبات صارمة جدًا لرمل الكوارتز، ولكن المصادر العالمية لخام الكوارتز عالي النقاء-تقع بشكل أساسي في بلدان مثل الولايات المتحدة والنرويج وأستراليا. تعد الصين مستهلكًا رئيسيًا-لرمل الكوارتز عالي النقاء، ولكن مصادر خام الكوارتز عالي النقاء-تعتمد بشكل أساسي على الواردات. إن ارتفاع درجة الاعتماد على واردات المواد الخام قد يؤثر على استقرار التنمية الصناعية. ولذلك، فإن تطوير عملية إعداد زجاج الكوارتز الاصطناعي له أهمية خاصة.
تشتمل عملية تحضير زجاج الكوارتز الصناعي بشكل أساسي على ترسيب البخار الكيميائي (ترسيب البخار الكيميائي، CVD)، ترسيب البخار الكيميائي للبلازما (PCVD)، طريقة ترسيب البخار الكيميائي غير المباشر وطريقة سول{0}}الجيل.
يمكن أيضًا تصنيف زجاج الكوارتز إلى زجاج كوارتز معتم وزجاج كوارتز شفاف بناءً على شفافيته:
يحتوي زجاج الكوارتز غير الشفاف على عدد كبير من الفقاعات الصغيرة والجسيمات المتناثرة الأخرى، مما يوفر مظهرًا معتمًا أو شبه{0} معتمًا. ويمكن استخدامه لتصنيع مفاعلات التوليف والزجاج البصري وبوتقات الصهر لبلورة السيليكون الأحادية-.
يحتوي زجاج الكوارتز الشفاف على عدد صغير من نقاط تشتت الفقاعات، والتي يتم التعبير عنها عادةً بجزء في المليون. تعتبر شروط تحضير زجاج الكوارتز الشفاف أكثر صرامة من تلك الخاصة بزجاج الكوارتز غير الشفاف، ولها نطاق تطبيق أوسع. إنها مادة مهمة لإعداد-مكونات بصرية عالية الجودة.
يرتبط أداء زجاج الكوارتز ارتباطًا وثيقًا بنقائه الكيميائي، والذي يتأثر بالمواد الخام وعملية التحضير. يمكن تقسيم العيوب الشائعة في زجاج الكوارتز إلى فئتين: العيوب الهيكلية والعيوب العيانية. كما هو موضح في الشكل، أثناء عملية نمو بلورات الكوارتز الطبيعية، يتم إنتاج عيوب مختلفة حتمًا. في عملية تحضير المنتجات الزجاجية، نظرًا للقيود المفروضة على عملية التحضير وبيئة التشغيل، قد يتم إدخال شوائب مختلفة، وقد يتم توليد إجهاد متبقي، وبالتالي قد تحدث عيوب هيكلية وعيوب عيانية. تنجم العيوب الهيكلية لزجاج الكوارتز عن إدخال الشوائب في الشبكة الذرية Si-O، بما في ذلك بشكل رئيسي الشوائب المعدنية ومجموعات الهيدروكسيل: الشوائب المعدنية تأتي بشكل رئيسي من رمل الكوارتز، والشوائب المعدنية مثل Fe وCr يمكن أن تؤدي إلى توهين الامتصاص. تأتي مجموعات الهيدروكسيل الموجودة في زجاج الكوارتز عادةً من لهيب الهيدروجين-الأكسجين. ستؤثر مجموعات الهيدروكسيل على استقرار رابطة Si-O، وتقلل من الاستقرار الكيميائي لزجاج الكوارتز، وتعزز حدوث ظواهر التبلور، وفي الوقت نفسه، ستزيد مجموعات الهيدروكسيل من الفقد البصري في مناطق الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء القريبة من -والمتوسطة-. ستؤثر نطاقات امتصاص الاهتزاز لروابط Si-OH عند أطوال موجية محددة مثل 2.72 و1.39 و0.9 ميكرومتر على تطبيق زجاج الكوارتز في مجالات الألياف الضوئية والليزر.
تشمل العيوب العيانية لزجاج الكوارتز بشكل أساسي الفقاعات والشوائب والخطوط والشقوق وما إلى ذلك. تحدث هذه العيوب عادةً بسبب عدم نقاء المواد الخام أو عملية التحضير غير السليمة. لزوجة الكوارتز في الحالة المنصهرة عالية، والفقاعات الداخلية يصعب الهروب من تلقاء نفسها. إذا لم تكن عملية الذوبان صارمة، فقد تكون هناك أيضًا ظاهرة حيث لا تذوب المواد الخام الداخلية تمامًا قبل تغليفها بالكوارتز المنصهر بالفعل على السطح. وفي الوقت نفسه، يعتبر زجاج الكوارتز موصلًا حراريًا سيئًا. أثناء عملية التبريد، تكون تغيرات درجة الحرارة على السطح والداخل غير متناسقة، مما يشكل تدرجًا كبيرًا في درجة الحرارة، ويولد إجهادًا حراريًا، وقد يتسبب الإجهاد الحراري المفرط في حدوث تشققات محلية. يعد تقليل العيوب المختلفة داخل زجاج الكوارتز وضمان خصائصه البصرية الممتازة أمرًا ذا أهمية بالغة.
في عملية تحضير زجاج الكوارتز بطريقة CVD غير المباشرة، فمن ناحية، يتم استخدام مركبات تحتوي على-سليكون عالي النقاء- لتقليل محتوى الشوائب المعدنية. من ناحية أخرى، يتم استخدام التلبيد لإزالة الهيدروكسيل، مما يقلل بشكل فعال من تركيز الهيدروكسيل في زجاج الكوارتز، مما يجعله أكثر تفوقًا في أداء نقل الأشعة فوق البنفسجية العميقة، مع عتبة أعلى لمقاومة أضرار الليزر، ومواصلة تعزيز خصائصه البصرية.
ومع ذلك، عندما يتم تسخين زجاج الكوارتز في درجات حرارة عالية ومن ثم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة، يتم إنشاء إجهاد حراري، وسيكون للضغط الداخلي غير المتساوي تأثير كبير على الخصائص البصرية للمنتج. سيؤدي التوزيع غير المتساوي للضغط إلى تغيير معامل الانكسار لمناطق مختلفة من زجاج الكوارتز، مما يؤدي إلى تغييرات في المسار البصري وكثافة الضوء للضوء الذي يمر عبر زجاج الكوارتز، مما يؤدي إلى انكسار وتشتت غير متساوٍ، وتقليل التوحيد البصري للمنتج. وفي الوقت نفسه، فإن تأثير الانكسار المزدوج الناتج عن الإجهاد- سوف يتسبب في تشويه واجهة موجة شعاع الضوء. في أجهزة الليزر ذات الطاقة العالية-، سيؤثر تشويه واجهة الموجة بشكل مباشر على استقرار شعاع الليزر، وقد يؤدي الضغط الداخلي أيضًا إلى انخفاض مقاومة تلف الليزر لزجاج الكوارتز، مما يقلل من عمر الخدمة والموثوقية.
بالنسبة لأجهزة الدليل الموجي البصري مثل شبكات الدليل الموجي للصفيف، والليزر، والمرشحات القابلة للضبط، وما إلى ذلك، يعد الانكسار المزدوج للإجهاد أيضًا مشكلة لا يمكن تجاهلها. بسبب تأثير الانكسار المزدوج الإجهاد، تتغير خصائص انتشار الضوء، مما يتسبب في تحول الاستقطاب والخسارة المعتمدة على الاستقطاب-. قد تؤدي المنطقة المجهدة إلى تغيير شكل وضع جهاز الدليل الموجي البصري، مما يؤثر بشكل خطير على أداء الجهاز واستقراره.
من خلال التحكم في الضغط داخل زجاج الكوارتز، يمكن لشركتنا تجنب توليد عيوب خطيرة مثل التشقق، وضمان خصائصه البصرية الممتازة، وبالتالي تحسين إنتاجية وموثوقية زجاج الكوارتز، وتمكينه من تلبية احتياجات التطبيقات البصرية المختلفة ولعب دور مهم في التطبيقات الصناعية.
