Kvartsilasi koostuu yksinomaan piidioksidista, ja tällä hetkellä yleisesti hyväksytty rakennemalli on jatkuva satunnaisverkko (CRN) -malli. Tässä mallissa Si- ja O-atomit muodostavat lähes täydelliset kolmiulotteiset Si-O-tetraedriset rakenteet. Kaavamainen kaavio, joka havainnollistaa korkean -puhtauden kvartsilasin tasomaista mikrorakennetta ja sen tilajärjestelyä, on esitetty kuvassa. Si-O-kemiallisilla sidoksilla on korkea sidosenergia ja lyhyt sidospituus, mikä johtaa erittäin kompaktiin tilarakenteeseen. Mikroskooppisen verkkorakenteensa eheyden ja tiiviyden ansiosta erittäin -puhtaalla kvartsilasilla on useita erinomaisia ja ainutlaatuisia kattavia ominaisuuksia, kuten erinomainen optinen läpäisy, säteilynkestävyys, lämpöstabiilisuus ja kemiallinen stabiilisuus.
Kvartsilasin valmistuksen historia juontaa juurensa vuoteen 1839, jolloin ranskalainen Gandin valmisti menestyksekkäästi läpinäkymättömän kvartsilasipalan sulattamalla kvartsihiekkaa vety-happiliekillä. Siitä lähtien maat ympäri maailmaa ovat osallistuneet aktiivisesti kvartsilasin valmistusteknologioiden tutkimukseen ja kehittämiseen. Uusia tuotantomenetelmiä on syntynyt, valmistusprosessit ovat jatkuvasti kehittyneet ja toimiala on kasvanut nopeasti.
Kaasunjalostusmenetelmään kuuluu vety-happiliekin käyttäminen luonnonkvartsin sulattamiseen ja sen jälkeen sulan materiaalin asteittainen kerrostaminen kvartsilasikohteen pinnalle kvartsilasiharkon saamiseksi. Sekä sähkösulatusmenetelmän että kaasujalostusmenetelmän raaka-aineet ovat kvartsihiekkaa. Korkean-puhtauden kvartsilasilla on erittäin tiukat vaatimukset kvartsihiekalle, mutta korkean-puhtauden kvartsimalmin maailmanlaajuiset lähteet sijaitsevat pääasiassa Yhdysvalloissa, Norjassa ja Australiassa. Kiina on suuri-puhtausluokan kvartsihiekan kuluttaja, mutta erittäin-puhtaiden kvartsimalmin lähteet ovat pääasiassa tuontitavaraa. Suuri riippuvuus raaka-aineiden tuonnista voi vaikuttaa teollisuuden kehityksen vakauteen. Siksi synteettisen kvartsilasin valmistusprosessin kehittäminen on erityisen tärkeää.
Synteettisen kvartsilasin valmistusprosessi sisältää pääasiassa kemiallisen höyrypinnoitusmenetelmän (Chemical Vapor Deposition, CVD), plasmakemiallisen höyrypinnoitusmenetelmän (PCVD), epäsuoran kemiallisen höyrypinnoitusmenetelmän ja sooli{0}}geelimenetelmän.
Kvartsilasi voidaan myös luokitella läpikuultamattomaan kvartsilasiin ja läpinäkyvään kvartsilasiin sen läpinäkyvyyden perusteella:
Läpinäkymätön kvartsilasi sisältää suuren määrän pieniä kuplia ja muita sirottavia hiukkasia, jotka näyttävät läpinäkymättömältä tai puoli{0}}läpinäkymättömältä. Sitä voidaan käyttää synteesireaktorien, optisen lasin ja sulatusupokkaiden valmistukseen yksikiteiselle piille.
Läpinäkyvä kvartsilasi sisältää pienen määrän kuplien sirontapisteitä, jotka yleensä ilmaistaan ppm:inä. Läpinäkyvän kvartsilasin valmistusolosuhteet ovat tiukemmat kuin läpinäkymättömän kvartsilasin, ja sillä on laajempi käyttöalue. Se on tärkeä materiaali korkealaatuisten-optisten komponenttien valmistuksessa.
Kvartsilasin suorituskyky liittyy läheisesti sen kemialliseen puhtauteen, johon vaikuttavat raaka-aineet ja valmistusprosessi. Kvartsilasin yleiset viat voidaan jakaa kahteen luokkaan: rakenteelliset viat ja makroskooppiset viat. Kuten kuvasta näkyy, luonnollisten kvartsikiteiden kasvuprosessin aikana syntyy väistämättä erilaisia vikoja. Lasituotteiden valmistusprosessissa valmistusprosessin ja käyttöympäristön rajoituksista johtuen saattaa esiintyä erilaisia epäpuhtauksia, syntyä jäännösjännitystä ja siten rakenteellisia vikoja ja makroskooppisia vikoja. Kvartsilasin rakenteelliset viat johtuvat epäpuhtauksien joutumisesta Si-O-atomiverkkoon, mukaan lukien pääasiassa metalliepäpuhtaudet ja hydroksyyliryhmät: Metallien epäpuhtaudet tulevat pääasiassa kvartsihiekasta, ja metalliepäpuhtaudet, kuten Fe ja Cr, voivat johtaa absorption vaimenemiseen. Kvartsilasin hydroksyyliryhmät ovat yleensä peräisin vety-happiliekistä. Hydroksyyliryhmät vaikuttavat Si-O-sidoksen stabiilisuuteen, heikentävät kvartsilasin kemiallista stabiilisuutta, edistävät kiteytysilmiöiden esiintymistä, ja samalla hydroksyyliryhmät lisäävät optista häviötä lähi-infrapuna- ja keski{10}infrapuna-aallonpituusalueilla. Si-OH-sidosten värähtelyn absorptiokaistat tietyillä aallonpituuksilla, kuten 2,72, 1,39 ja 0,9 μm, vaikuttavat kvartsilasin käyttöön optisten kuitujen ja laserien aloilla.
Kvartsilasin makroskooppisia vikoja ovat pääasiassa kuplat, sulkeumat, raidat ja halkeamat jne. Nämä viat johtuvat yleensä raaka-aineiden riittämättömästä puhtaudesta tai väärästä valmistusprosessista. Kvartsin viskositeetti sulassa tilassa on korkea, ja sisäisiä kuplia on vaikea poistaa itsestään. Jos sulatusprosessi ei ole tiukka, voi esiintyä myös ilmiö, jossa sisäiset raaka-aineet eivät ole täysin sulaneet ennen kuin ne kapseloituvat pinnalle jo sulaneen kvartsin vaikutuksesta. Samaan aikaan kvartsilasi on huono lämmönjohdin. Jäähdytysprosessin aikana lämpötilan muutokset pinnalla ja sisätiloissa ovat epäyhtenäisiä, muodostaen suuren lämpötilagradientin, synnyttäen lämpörasitusta ja liiallinen lämpöjännitys voi jopa aiheuttaa paikallista halkeilua. Kvartsilasin sisällä olevien erilaisten vikojen vähentäminen ja sen erinomaisten optisten ominaisuuksien varmistaminen on ratkaisevan tärkeää.
Kvartsilasin valmistuksessa epäsuoralla CVD-menetelmällä käytetään toisaalta erittäin -puhtauspitoisia piitä- sisältäviä yhdisteitä metallien epäpuhtauksien vähentämiseen. Toisaalta sintrausta käytetään dehydroksylaatioon, mikä vähentää tehokkaasti kvartsilasin hydroksyylipitoisuutta, mikä tekee siitä paremman syvän ultraviolettiläpäisykyvyn, korkeamman kynnyksen laservaurion kestävyydelle ja parantaa entisestään sen optisia ominaisuuksia.
Kuitenkin, kun kvartsilasia kuumennetaan korkeissa lämpötiloissa ja jäähdytetään sitten huoneenlämpötilaan, syntyy lämpöjännitystä, ja epätasainen sisäinen jännitys vaikuttaa merkittävästi tuotteen optisiin ominaisuuksiin. Jännityksen epätasainen jakautuminen aiheuttaa kvartsilasin eri alueiden taitekertoimen muuttumisen, mikä johtaa muutoksiin kvartsilasin läpi kulkevan valon optisessa polussa ja valon intensiteetissä, mikä aiheuttaa epätasaista taittumista ja sirontaa ja vähentää tuotteen optista tasaisuutta. Samaan aikaan jännitys-kastaistaittavuus aiheuttaa valonsäteen aaltorintaman vääristymisen. Suuritehoisissa-laserlaitteissa aaltorintaman vääristymä vaikuttaa suoraan lasersäteen vakauteen, ja sisäinen jännitys voi myös johtaa kvartsilasin laservauriokestävyyden heikkenemiseen, mikä lyhentää sen käyttöikää ja luotettavuutta.
Optisissa aaltoputkilaitteissa, kuten ryhmäaaltoputkihilat, laserit, viritettävät suodattimet jne., jännityskaksitaitteisuus on myös ongelma, jota ei voida jättää huomiotta. Jännityskaksitaitteisen vaikutuksen vuoksi valon etenemisominaisuudet muuttuvat aiheuttaen polarisaatiosiirtymää ja polarisaatiosta -riippuvaista häviötä. Jännittynyt alue voi jopa muuttaa optisen aaltoputkilaitteen tilamuotoa, mikä vaikuttaa vakavasti laitteen suorituskykyyn ja vakauteen.
Hallitsemalla kvartsilasin jännitystä yrityksemme voi välttää vakavien vikojen, kuten halkeilun, syntymisen, varmistaa sen erinomaiset optiset ominaisuudet, mikä parantaa kvartsilasin saantoa ja luotettavuutta ja mahdollistaa sen, että se täyttää erilaisten optisten sovellusten tarpeet ja sillä on tärkeä rooli teollisissa sovelluksissa.
