Il vetro al quarzo è costituito esclusivamente da biossido di silicio e il modello strutturale attualmente ampiamente accettato è il modello a rete casuale continua (CRN). In questo modello, gli atomi di Si e O formano strutture tetraedriche tri-Si-O quasi perfette. Nella figura è mostrato un diagramma schematico che illustra la microstruttura planare del vetro al quarzo ad elevata-purezza e la sua disposizione spaziale. I legami chimici Si-O hanno un'energia di legame elevata e una lunghezza di legame breve, risultando in una struttura spaziale altamente compatta. Grazie all'integrità e alla tenuta della sua struttura a rete microscopica, il vetro al quarzo ad elevata-purezza presenta una serie di proprietà complete eccellenti e uniche, come trasmittanza ottica superiore, resistenza alle radiazioni, stabilità termica e stabilità chimica.
La storia della preparazione del vetro al quarzo risale al 1839, quando il francese Gandin produsse con successo un pezzo opaco di vetro al quarzo sciogliendo la sabbia di quarzo con una fiamma di idrogeno-ossigeno. Da allora, i paesi di tutto il mondo si sono impegnati attivamente nella ricerca e nello sviluppo di tecnologie di produzione del vetro al quarzo. Sono emersi nuovi metodi di produzione, i processi produttivi sono continuamente migliorati e l’industria ha registrato una rapida crescita.
Il metodo di raffinazione del gas prevede l'utilizzo di una fiamma di idrogeno-ossigeno per sciogliere il quarzo naturale e quindi il deposito graduale del materiale fuso sulla superficie di un bersaglio di vetro di quarzo per ottenere un lingotto di vetro di quarzo. Le materie prime sia per il metodo di fusione elettrica che per il metodo di raffinazione a gas sono sabbia di quarzo. Il vetro al quarzo ad alta-purezza ha requisiti molto severi per la sabbia di quarzo, ma le fonti globali di minerale di quarzo ad alta-purezza si trovano principalmente in paesi come Stati Uniti, Norvegia e Australia. La Cina è uno dei principali consumatori di sabbia di quarzo ad alta-purezza, ma le fonti di minerale di quarzo ad alta-purezza si basano principalmente sulle importazioni. L’elevato grado di dipendenza dalle importazioni di materie prime può incidere sulla stabilità dello sviluppo industriale. Pertanto, lo sviluppo del processo di preparazione del vetro al quarzo sintetico è particolarmente importante.
Il processo di preparazione del vetro al quarzo sintetico comprende principalmente la deposizione chimica da vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD), la deposizione chimica da vapore al plasma (PCVD), il metodo di deposizione chimica da vapore indiretta e il metodo sol-gel.
Il vetro al quarzo può anche essere classificato in vetro al quarzo opaco e vetro al quarzo trasparente in base alla sua trasparenza:
Il vetro al quarzo opaco contiene un gran numero di minuscole bolle e altre particelle sparse, presentando un aspetto opaco o semi-opaco. Può essere utilizzato per produrre reattori di sintesi, vetro ottico e crogioli di fusione per silicio monocristallino.
Il vetro al quarzo trasparente contiene un piccolo numero di punti di diffusione delle bolle, solitamente espressi in ppm. Le condizioni di preparazione del vetro al quarzo trasparente sono più rigorose di quelle del vetro al quarzo opaco e ha un campo di applicazione più ampio. È un materiale importante per la preparazione di componenti ottici di alta-qualità.
Le prestazioni del vetro al quarzo sono strettamente correlate alla sua purezza chimica, che è influenzata dalle materie prime e dal processo di preparazione. I difetti comuni nel vetro al quarzo possono essere suddivisi in due categorie: difetti strutturali e difetti macroscopici. Come mostrato in figura, durante il processo di crescita dei cristalli di quarzo naturale si producono inevitabilmente diversi difetti. Nel processo di preparazione dei prodotti in vetro, a causa delle limitazioni del processo di preparazione e dell'ambiente operativo, possono essere introdotte varie impurità, possono essere generati stress residui e quindi possono verificarsi difetti strutturali e difetti macroscopici. I difetti strutturali del vetro al quarzo sono causati dall'introduzione di impurità nella griglia atomica Si-O, principalmente impurità metalliche e gruppi idrossilici: le impurità metalliche provengono principalmente dalla sabbia di quarzo e le impurità metalliche come Fe e Cr possono portare all'attenuazione dell'assorbimento. I gruppi ossidrile nel vetro al quarzo provengono solitamente da fiamme di idrogeno-ossigeno. I gruppi idrossilici influenzeranno la stabilità del legame Si-O, ridurranno la stabilità chimica del vetro al quarzo, favoriranno il verificarsi di fenomeni di cristallizzazione e, allo stesso tempo, i gruppi idrossilici aumenteranno la perdita ottica nelle regioni con lunghezza d'onda del vicino-infrarosso e del medio-infrarosso. Le bande di assorbimento delle vibrazioni dei legami Si-OH a lunghezze d'onda specifiche come 2,72, 1,39 e 0,9 μm influenzeranno l'applicazione del vetro al quarzo nei campi delle fibre ottiche e dei laser.
I difetti macroscopici del vetro al quarzo comprendono principalmente bolle, inclusioni, strisce e crepe, ecc. Questi difetti si verificano solitamente a causa di una purezza insufficiente delle materie prime o di un processo di preparazione improprio. La viscosità del quarzo allo stato fuso è elevata e le bolle interne sono difficili da fuoriuscire da sole. Se il processo di fusione non è rigoroso, può verificarsi anche il fenomeno per cui le materie prime interne non si sono completamente sciolte prima di essere incapsulate dal quarzo già fuso in superficie. Allo stesso tempo, il vetro al quarzo è un cattivo conduttore termico. Durante il processo di raffreddamento, le variazioni di temperatura sulla superficie e all'interno non sono costanti, formando un ampio gradiente di temperatura, generando stress termico e uno stress termico eccessivo può persino causare fessurazioni locali. Ridurre i vari difetti all'interno del vetro al quarzo e garantirne le eccellenti proprietà ottiche è di fondamentale importanza.
Nel processo di preparazione del vetro al quarzo con il metodo CVD indiretto, da un lato, vengono utilizzati composti contenenti-silicio di elevata purezza-per ridurre il contenuto di impurità metalliche. D'altro canto, la sinterizzazione viene impiegata per la deidrossilazione, riducendo efficacemente la concentrazione di idrossili del vetro al quarzo, rendendolo più superiore nelle prestazioni di trasmissione dell'ultravioletto profondo, con una soglia più elevata per la resistenza ai danni laser e migliorando ulteriormente le sue proprietà ottiche.
Tuttavia, quando il vetro al quarzo viene riscaldato a temperature elevate e poi raffreddato a temperatura ambiente, si genera uno stress termico e lo stress interno irregolare avrà un impatto significativo sulle proprietà ottiche del prodotto. La distribuzione non uniforme dello stress causerà la modifica dell'indice di rifrazione delle diverse regioni del vetro al quarzo, con conseguenti cambiamenti nel percorso ottico e nell'intensità della luce che passa attraverso il vetro al quarzo, generando rifrazione e dispersione non uniformi e riducendo l'uniformità ottica del prodotto. Allo stesso tempo, l'effetto di birifrangenza indotto dallo stress- causerà la distorsione del fronte d'onda del raggio luminoso. Nei dispositivi laser ad alta-potenza, la distorsione del fronte d'onda influenzerà direttamente la stabilità del raggio laser e lo stress interno potrebbe anche portare a una diminuzione della resistenza al danno laser del vetro al quarzo, riducendone la durata e l'affidabilità.
Per i dispositivi a guida d'onda ottica come reticoli di guide d'onda, laser, filtri sintonizzabili, ecc., anche la birifrangenza da stress è un problema che non può essere ignorato. A causa dell'effetto di birifrangenza dello stress, le caratteristiche di propagazione della luce vengono modificate, causando uno spostamento della polarizzazione e una perdita dipendente dalla polarizzazione. L'area sollecitata può persino modificare la forma modale del dispositivo a guida d'onda ottica, compromettendo gravemente le prestazioni e la stabilità del dispositivo.
Controllando lo stress all'interno del vetro al quarzo, la nostra azienda può evitare la generazione di gravi difetti come fessurazioni, garantendo le sue eccellenti proprietà ottiche, migliorando così la resa e l'affidabilità del vetro al quarzo e consentendogli di soddisfare le esigenze di varie applicazioni ottiche e svolgere un ruolo importante nelle applicazioni industriali
