แก้วควอตซ์ประกอบด้วยซิลิคอนไดออกไซด์เพียงอย่างเดียว และแบบจำลองโครงสร้างที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในปัจจุบันคือแบบจำลองเครือข่ายสุ่มแบบต่อเนื่อง (CRN) ในแบบจำลองนี้ อะตอมของ Si และ O ก่อตัวเป็นโครงสร้างจัตุรมุขสามมิติ-Si-O ที่เกือบจะสมบูรณ์แบบ แผนภาพที่แสดงโครงสร้างจุลภาคระนาบของแก้วควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง- และการจัดเรียงเชิงพื้นที่จะแสดงอยู่ในภาพ พันธะเคมี Si-O มีพลังงานพันธะสูงและมีความยาวพันธะสั้น ส่งผลให้โครงสร้างเชิงพื้นที่มีขนาดกะทัดรัดมาก เนื่องจากความสมบูรณ์และความหนาแน่นของโครงสร้างเครือข่ายระดับจุลภาค แก้วควอทซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-จึงแสดงชุดคุณสมบัติที่ครอบคลุมที่ยอดเยี่ยมและมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว เช่น การส่งผ่านแสงที่เหนือกว่า ความต้านทานรังสี ความเสถียรทางความร้อน และความเสถียรทางเคมี
ประวัติความเป็นมาของการเตรียมแก้วควอทซ์ย้อนกลับไปในปี 1839 เมื่อชาวฝรั่งเศส Gandin ประสบความสำเร็จในการผลิตแก้วควอทซ์ทึบแสงโดยการละลายทรายควอทซ์ด้วยเปลวไฟไฮโดรเจน- นับตั้งแต่นั้นเป็นต้นมา ประเทศต่างๆ ทั่วโลกได้มีส่วนร่วมอย่างแข็งขันในการวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีการผลิตแก้วควอตซ์ วิธีการผลิตแบบใหม่เกิดขึ้น กระบวนการผลิตได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และอุตสาหกรรมมีการเติบโตอย่างรวดเร็ว
วิธีการกลั่นแก๊สเกี่ยวข้องกับการใช้เปลวไฟไฮโดรเจน-เพื่อละลายควอตซ์ธรรมชาติ จากนั้นค่อยๆ วางวัสดุที่หลอมละลายไว้บนพื้นผิวของเป้าหมายแก้วควอตซ์เพื่อให้ได้แท่งแก้วควอตซ์ วัตถุดิบสำหรับทั้งวิธีการหลอมด้วยไฟฟ้าและวิธีการกลั่นแก๊สคือทรายควอทซ์ แก้วควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-มีข้อกำหนดที่เข้มงวดมากสำหรับทรายควอตซ์ แต่แหล่งแร่ควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-ทั่วโลกส่วนใหญ่ตั้งอยู่ในประเทศต่างๆ เช่น สหรัฐอเมริกา นอร์เวย์ และออสเตรเลีย ประเทศจีนเป็นผู้บริโภครายใหญ่ของ-ทรายควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง แต่แหล่งที่มาของแร่ควอตซ์ที่มีความบริสุทธิ์สูง-นั้นอาศัยการนำเข้าเป็นหลัก การพึ่งพาการนำเข้าวัตถุดิบในระดับสูงอาจส่งผลกระทบต่อเสถียรภาพของการพัฒนาอุตสาหกรรม ดังนั้นการพัฒนากระบวนการเตรียมแก้วควอตซ์สังเคราะห์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
กระบวนการเตรียมแก้วควอตซ์สังเคราะห์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการสะสมไอสารเคมี (การสะสมไอสารเคมี, CVD), การสะสมไอสารเคมีในพลาสมา (PCVD), วิธีการสะสมไอสารเคมีทางอ้อม และวิธีโซล-เจล
แก้วควอตซ์ยังสามารถแบ่งได้เป็นแก้วควอตซ์ทึบแสงและแก้วควอตซ์โปร่งใสตามความโปร่งใส:
แก้วควอทซ์ทึบแสงประกอบด้วยฟองเล็กๆ จำนวนมากและอนุภาคอื่นๆ ที่กระจัดกระจาย ทำให้มีลักษณะทึบแสงหรือกึ่ง-ทึบแสง สามารถใช้ในการผลิตเครื่องปฏิกรณ์สังเคราะห์ แก้วแสง และถ้วยใส่ตัวอย่างสำหรับการหลอมสำหรับ-ผลึกซิลิคอนเดี่ยว
แก้วควอทซ์โปร่งใสมีจุดกระเจิงฟองจำนวนเล็กน้อย ซึ่งมักแสดงเป็น ppm เงื่อนไขในการเตรียมแก้วควอทซ์โปร่งใสมีความเข้มงวดมากกว่าเงื่อนไขการเตรียมแก้วควอทซ์ทึบแสง และมีช่วงการใช้งานที่กว้างกว่า เป็นวัสดุสำคัญในการเตรียมส่วนประกอบทางแสงคุณภาพสูง-
ประสิทธิภาพของแก้วควอทซ์มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับความบริสุทธิ์ทางเคมี ซึ่งได้รับอิทธิพลจากวัตถุดิบและกระบวนการเตรียมการ ข้อบกพร่องทั่วไปในแก้วควอตซ์แบ่งได้เป็น 2 ประเภท ได้แก่ ข้อบกพร่องด้านโครงสร้างและข้อบกพร่องระดับมหภาค ดังที่แสดงในภาพ ในระหว่างกระบวนการเจริญเติบโตของผลึกควอตซ์ธรรมชาติ ข้อบกพร่องต่างๆ ย่อมเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในกระบวนการเตรียมผลิตภัณฑ์แก้ว เนื่องจากข้อจำกัดของกระบวนการเตรียมและสภาพแวดล้อมในการทำงาน อาจมีสิ่งสกปรกต่างๆ เข้ามา ความเครียดตกค้างอาจเกิดขึ้น และอาจเกิดข้อบกพร่องทางโครงสร้างและข้อบกพร่องระดับมหภาคได้ ข้อบกพร่องเชิงโครงสร้างของแก้วควอทซ์มีสาเหตุมาจากการนำสิ่งเจือปนเข้าไปในตารางอะตอมของ Si-O ซึ่งส่วนใหญ่รวมถึงสิ่งเจือปนของโลหะและหมู่ไฮดรอกซิล: สิ่งเจือปนของโลหะส่วนใหญ่มาจากทรายควอทซ์ และสิ่งเจือปนของโลหะ เช่น Fe และ Cr สามารถนำไปสู่การลดทอนของการดูดซับ หมู่ไฮดรอกซิลในแก้วควอทซ์มักมาจากเปลวไฟไฮโดรเจน- หมู่ไฮดรอกซิลจะส่งผลต่อความเสถียรของพันธะ Si-O ลดความเสถียรทางเคมีของแก้วควอทซ์ ส่งเสริมให้เกิดปรากฏการณ์การตกผลึก และในเวลาเดียวกัน หมู่ไฮดรอกซิลจะเพิ่มการสูญเสียการมองเห็นในบริเวณความยาวคลื่นอินฟราเรดใกล้-และ-ช่วงกลางคลื่นอินฟราเรด แถบดูดซับแรงสั่นสะเทือนของพันธะ Si-OH ที่ความยาวคลื่นจำเพาะ เช่น 2.72, 1.39 และ 0.9 μm จะส่งผลต่อการใช้แก้วควอตซ์ในด้านเส้นใยนำแสงและเลเซอร์
ข้อบกพร่องขนาดมหึมาของแก้วควอทซ์ส่วนใหญ่ประกอบด้วยฟอง การรวม แถบและรอยแตก ฯลฯ ข้อบกพร่องเหล่านี้มักเกิดขึ้นเนื่องจากความบริสุทธิ์ของวัตถุดิบไม่เพียงพอหรือกระบวนการเตรียมการที่ไม่เหมาะสม ความหนืดของควอตซ์ในสถานะหลอมเหลวนั้นสูงและฟองภายในจะหลุดออกมาได้ยากด้วยตัวมันเอง หากกระบวนการหลอมไม่เข้มงวด ก็อาจเกิดปรากฏการณ์ที่วัตถุดิบภายในละลายไม่หมดก่อนที่จะถูกห่อหุ้มด้วยควอตซ์ที่หลอมละลายแล้วบนพื้นผิว ในเวลาเดียวกัน แก้วควอทซ์เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี ในระหว่างกระบวนการทำความเย็น อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงที่พื้นผิวและภายในไม่สอดคล้องกัน ทำให้เกิดการไล่ระดับอุณหภูมิขนาดใหญ่ ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อน และความเครียดจากความร้อนที่มากเกินไปอาจทำให้เกิดการแตกร้าวเฉพาะจุดได้ การลดข้อบกพร่องต่างๆ ภายในแก้วควอตซ์และการรับรองคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยมถือเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง
ในกระบวนการเตรียมแก้วควอทซ์โดยวิธี CVD ทางอ้อม ในด้านหนึ่ง สารประกอบที่มี-ซิลิคอนที่มีความบริสุทธิ์สูง-จะถูกนำมาใช้เพื่อลดปริมาณสิ่งเจือปนของโลหะ ในทางกลับกัน การเผาผนึกถูกนำมาใช้เพื่อดีไฮดรอกซิเลชัน ซึ่งช่วยลดความเข้มข้นของไฮดรอกซิลของแก้วควอทซ์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้มีประสิทธิภาพในการส่งผ่านรังสีอัลตราไวโอเลตในระดับลึกได้ดีกว่า โดยมีเกณฑ์ต้านทานความเสียหายของเลเซอร์ที่สูงขึ้น และเพิ่มคุณสมบัติทางแสงของมันให้ดียิ่งขึ้นไปอีก
อย่างไรก็ตาม เมื่อแก้วควอตซ์ถูกให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงแล้วทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิห้อง จะเกิดความเครียดจากความร้อน และความเค้นภายในที่ไม่สม่ำเสมอจะมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางแสงของผลิตภัณฑ์ การกระจายความเครียดที่ไม่สม่ำเสมอจะทำให้ดัชนีการหักเหของส่วนต่างๆ ของแก้วควอทซ์เปลี่ยนแปลง ส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในเส้นทางแสงและความเข้มแสงของแสงที่ผ่านกระจกควอทซ์ ทำให้เกิดการหักเหและการกระเจิงที่ไม่สม่ำเสมอ และลดความสม่ำเสมอทางแสงของผลิตภัณฑ์ ในเวลาเดียวกัน เอฟเฟกต์การรีฟริงเจนซ์ที่เกิดจากความเครียด-จะทำให้หน้าคลื่นของลำแสงบิดเบี้ยว ในอุปกรณ์เลเซอร์กำลังสูง- การบิดเบือนของหน้าคลื่นจะส่งผลโดยตรงต่อความเสถียรของลำแสงเลเซอร์ และความเค้นภายในอาจทำให้ความต้านทานต่อความเสียหายของเลเซอร์ของแก้วควอทซ์ลดลง ส่งผลให้อายุการใช้งานและความน่าเชื่อถือลดลง
สำหรับอุปกรณ์ท่อนำคลื่นแบบออปติคัล เช่น ตะแกรงท่อนำคลื่นแบบอาเรย์ เลเซอร์ ฟิลเตอร์แบบปรับได้ ฯลฯ ปัญหาการแบ่งแยกคลื่นความเครียดก็เป็นปัญหาที่ไม่อาจละเลยได้เช่นกัน เนื่องจากเอฟเฟกต์การรีฟริงเจนซ์ของความเครียด ลักษณะการแพร่กระจายของแสงจึงเปลี่ยนไป ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโพลาไรเซชันและการสูญเสียที่ขึ้นอยู่กับโพลาไรเซชัน- พื้นที่ที่มีความเครียดอาจเปลี่ยนรูปร่างโหมดของอุปกรณ์ท่อนำคลื่นแสง ซึ่งส่งผลกระทบร้ายแรงต่อประสิทธิภาพและความเสถียรของอุปกรณ์
ด้วยการควบคุมความเครียดภายในแก้วควอทซ์ บริษัทของเราสามารถหลีกเลี่ยงการเกิดข้อบกพร่องร้ายแรง เช่น การแตกร้าว ทำให้มั่นใจในคุณสมบัติทางแสงที่ดีเยี่ยม ซึ่งจะช่วยปรับปรุงผลผลิตและความน่าเชื่อถือของแก้วควอทซ์ และช่วยให้สามารถตอบสนองความต้องการของการใช้งานด้านแสงต่างๆ และมีบทบาทสำคัญในการใช้งานทางอุตสาหกรรม
