Kuvars camı yalnızca silikon dioksitten oluşur ve şu anda yaygın olarak kabul edilen yapısal model, sürekli rastgele ağ (CRN) modelidir. Bu modelde Si ve O atomları neredeyse mükemmel üç-boyutlu Si-O tetrahedral yapıları oluşturur. Yüksek-saflıktaki kuvars camın düzlemsel mikro yapısını ve mekansal düzenlemesini gösteren şematik bir diyagram şekilde gösterilmektedir. Si-O kimyasal bağları yüksek bağ enerjisine ve kısa bağ uzunluğuna sahiptir, bu da son derece kompakt bir uzaysal yapıya neden olur. Mikroskobik ağ yapısının bütünlüğü ve sıkılığı nedeniyle, yüksek-saflıktaki kuvars camı, üstün optik geçirgenlik, radyasyon direnci, termal kararlılık ve kimyasal kararlılık gibi bir dizi mükemmel ve benzersiz kapsamlı özellik sergiler.
Kuvars camı hazırlamanın tarihi, Fransız Gandin'in kuvars kumunu hidrojen-oksijen aleviyle eriterek başarılı bir şekilde opak bir kuvars camı parçası ürettiği 1839 yılına kadar uzanır. O zamandan beri, dünyanın dört bir yanındaki ülkeler aktif olarak kuvars cam üretim teknolojilerinin araştırma ve geliştirmesine katılmaktadır. Yeni üretim yöntemleri ortaya çıktı, üretim süreçleri sürekli gelişti ve sektör hızlı bir büyüme yaşadı.
Gaz arıtma yöntemi, doğal kuvarsı eritmek için bir hidrojen-oksijen alevi kullanmayı ve daha sonra bir kuvars cam külçesi elde etmek için erimiş malzemenin bir kuvars camı hedefinin yüzeyine kademeli olarak bırakılmasını içerir. Hem elektrikli eritme yönteminin hem de gaz arıtma yönteminin hammaddeleri kuvars kumudur. Yüksek-saflıktaki kuvars camının kuvars kumu için çok katı gereksinimleri vardır, ancak yüksek-kuvars cevherinin küresel kaynakları çoğunlukla Amerika Birleşik Devletleri, Norveç ve Avustralya gibi ülkelerde bulunmaktadır. Çin, yüksek-saflıktaki kuvars kumunun önemli bir tüketicisidir, ancak yüksek-saflıktaki kuvars cevherinin kaynakları çoğunlukla ithalata dayanmaktadır. Hammadde ithalatına yüksek düzeyde bağımlılık, endüstriyel kalkınmanın istikrarını etkileyebilir. Bu nedenle sentetik kuvars camı için hazırlama prosesinin geliştirilmesi özellikle önemlidir.
Sentetik kuvars camın hazırlanma süreci temel olarak kimyasal buhar biriktirme (Kimyasal Buhar Biriktirme, CVD), plazma kimyasal buhar biriktirme (PCVD), dolaylı kimyasal buhar biriktirme yöntemi ve sol-jel yöntemini içerir.
Kuvars camı ayrıca şeffaflığına bağlı olarak opak kuvars camı ve şeffaf kuvars camı olarak da sınıflandırılabilir:
Opak kuvars camı, opak veya yarı-opak bir görünüm sunan çok sayıda küçük kabarcık ve diğer saçılan parçacıklar içerir. Tek kristalli silikon için sentez reaktörleri, optik cam ve eritme potaları üretmek için kullanılabilir.
Şeffaf kuvars camı, genellikle ppm cinsinden ifade edilen az sayıda kabarcık saçılma noktası içerir. Şeffaf kuvars camın hazırlanma koşulları, opak kuvars cama göre daha sıkıdır ve daha geniş bir uygulama aralığına sahiptir. Yüksek-kaliteli optik bileşenlerin hazırlanmasında önemli bir malzemedir.
Kuvars camın performansı, ham maddelerden ve hazırlama sürecinden etkilenen kimyasal saflığıyla yakından ilgilidir. Kuvars camındaki yaygın kusurlar iki kategoriye ayrılabilir: yapısal kusurlar ve makroskopik kusurlar. Şekilde görüldüğü gibi doğal kuvars kristallerinin büyüme sürecinde çeşitli kusurlar oluşması kaçınılmazdır. Cam ürünlerin hazırlama prosesinde, hazırlama prosesinin ve çalışma ortamının sınırlamaları nedeniyle çeşitli safsızlıklar ortaya çıkabilir, artık gerilimler oluşabilir ve dolayısıyla yapısal kusurlar ve makroskobik kusurlar meydana gelebilir. Kuvars camının yapısal kusurları, Si-O atom ızgarasına, esas olarak metal safsızlıkları ve hidroksil gruplarını içeren yabancı maddelerin girmesinden kaynaklanır: Metal safsızlıkları esas olarak kuvars kumundan gelir ve Fe ve Cr gibi metal safsızlıkları, emilim zayıflamasına yol açabilir. Kuvars camındaki hidroksil grupları genellikle hidrojen-oksijen alevlerinden gelir. Hidroksil grupları, Si-O bağının stabilitesini etkileyecek, kuvars camının kimyasal stabilitesini azaltacak, kristalizasyon olgusunun ortaya çıkmasını teşvik edecek ve aynı zamanda hidroksil grupları, yakın-kızılötesi ve orta-kızılötesi dalga boyu bölgelerindeki optik kaybı artıracaktır. Si-OH bağlarının 2,72, 1,39 ve 0,9 μm gibi belirli dalga boylarındaki titreşim emme bantları, kuvars camın optik fiberler ve lazer alanlarındaki uygulamasını etkileyecektir.
Kuvars camın makroskobik kusurları esas olarak kabarcıkları, kalıntıları, şeritleri ve çatlakları vb. içerir. Bu kusurlar genellikle ham maddelerin yetersiz saflığı veya uygun olmayan hazırlama süreci nedeniyle ortaya çıkar. Kuvarsın erimiş haldeki viskozitesi yüksektir ve iç kabarcıkların kendiliğinden kaçması zordur. Erime işlemi sıkı değilse, iç ham maddelerin yüzeyde halihazırda erimiş kuvars tarafından kapsüllenmeden önce tamamen erimediği bir durum da olabilir. Aynı zamanda kuvars camı zayıf bir termal iletkendir. Soğutma işlemi sırasında, yüzeydeki ve iç kısımdaki sıcaklık değişiklikleri tutarsız olup, büyük bir sıcaklık gradyanı oluşturarak termal stres oluşturur ve aşırı termal stres, lokal çatlamalara bile neden olabilir. Kuvars camın içindeki çeşitli kusurların azaltılması ve mükemmel optik özelliklerinin sağlanması büyük önem taşımaktadır.
Dolaylı CVD yöntemiyle kuvars camı hazırlama sürecinde, bir yandan metal yabancı maddelerin içeriğini azaltmak için yüksek-saflıkta silikon- içeren bileşikler kullanılır. Öte yandan, sinterleme dehidroksilasyon için kullanılır, kuvars camının hidroksil konsantrasyonunu etkili bir şekilde azaltır, derin ultraviyole iletim performansında daha üstün hale getirir, lazer hasarına karşı direnç için daha yüksek bir eşikle birlikte optik özelliklerini daha da geliştirir.
Bununla birlikte, kuvars camı yüksek sıcaklıklarda ısıtıldığında ve daha sonra oda sıcaklığına soğutulduğunda termal gerilim oluşur ve eşit olmayan iç gerilim, ürünün optik özellikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olur. Stresin eşit olmayan dağılımı, kuvars camının farklı bölgelerinin kırılma indisinin değişmesine neden olacak, bu da kuvars camından geçen ışığın optik yolunda ve ışık yoğunluğunda değişikliklere neden olacak, eşit olmayan kırılma ve saçılma oluşturacak ve ürünün optik tekdüzeliğini azaltacaktır. Aynı zamanda, stresin- neden olduğu çift kırılma etkisi, ışık ışınının dalga cephesinin bozulmasına neden olacaktır. Yüksek-güçlü lazer cihazlarda, dalga cephesinin bozulması, lazer ışınının stabilitesini doğrudan etkileyecektir ve iç gerilim aynı zamanda kuvars camın lazer hasarı direncinin azalmasına yol açarak hizmet ömrünü ve güvenilirliğini azaltabilir.
Dizi dalga kılavuzu ızgaraları, lazerler, ayarlanabilir filtreler vb. gibi optik dalga kılavuzu cihazları için gerilim çift kırılması da göz ardı edilemeyecek bir konudur. Stresin çift kırılma etkisine bağlı olarak, ışığın yayılma özellikleri değişir, bu da polarizasyon kaymasına ve polarizasyona bağlı kayba- neden olur. Stresli alan, optik dalga kılavuzu cihazının mod şeklini bile değiştirerek cihazın performansını ve stabilitesini ciddi şekilde etkileyebilir.
Kuvars camındaki gerilimi kontrol ederek, şirketimiz çatlama gibi ciddi kusurların oluşmasını önleyebilir, mükemmel optik özelliklerini sağlayabilir, böylece kuvars camının verimini ve güvenilirliğini artırabilir ve çeşitli optik uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamasını ve endüstriyel uygulamalarda önemli bir rol oynamasını sağlayabilir.
