Kvarcinis stiklas susideda tik iš silicio dioksido, o šiuo metu plačiai pripažintas struktūrinis modelis yra nuolatinio atsitiktinio tinklo (CRN) modelis. Šiame modelyje Si ir O atomai sudaro beveik tobulas trijų matmenų Si-O tetraedrines struktūras. Scheminė diagrama, iliustruojanti didelio-grynumo kvarcinio stiklo plokščiąją mikrostruktūrą ir jo erdvinį išdėstymą, parodyta paveikslėlyje. Si-O cheminiai ryšiai turi didelę jungties energiją ir trumpą jungties ilgį, todėl erdvinė struktūra yra labai kompaktiška. Dėl savo mikroskopinės tinklo struktūros vientisumo ir sandarumo didelio-grynumo kvarcinis stiklas pasižymi puikiomis ir unikaliomis visapusiškomis savybėmis, tokiomis kaip puikus optinis pralaidumas, atsparumas spinduliuotei, terminis stabilumas ir cheminis stabilumas.
Kvarcinio stiklo ruošimo istorija siekia 1839 m., kai prancūzas Gandinas sėkmingai pagamino nepermatomą kvarcinio stiklo gabalą, lydydamas kvarcinį smėlį su vandenilio -deguonies liepsna. Nuo tada pasaulio šalys aktyviai užsiima kvarcinio stiklo gamybos technologijų tyrimais ir plėtra. Atsirado naujų gamybos būdų, nuolat tobulėjo gamybos procesai, sparčiai augo pramonė.
Dujų rafinavimo metodas apima vandenilio -deguonies liepsną, skirtą natūraliam kvarcui išlydyti, o tada išlydytą medžiagą palaipsniui nusodinti ant kvarcinio stiklo taikinio paviršiaus, kad būtų gautas kvarco stiklo luitas. Tiek elektrinio lydymo, tiek dujinio rafinavimo metodo žaliavos yra kvarcinis smėlis. Didelio-grynumo kvarciniam stiklui keliami labai griežti reikalavimai kvarciniam smėliui, tačiau pasauliniai didelio-grynumo kvarco rūdos šaltiniai daugiausia yra tokiose šalyse kaip JAV, Norvegija ir Australija. Kinija yra pagrindinė didelio-grynumo kvarcinio smėlio vartotoja, tačiau didelio-grynumo kvarco rūdos šaltiniai daugiausia priklauso nuo importo. Didelė priklausomybė nuo žaliavų importo gali turėti įtakos pramonės plėtros stabilumui. Todėl ypač svarbu plėtoti sintetinio kvarcinio stiklo paruošimo procesą.
Sintetinio kvarcinio stiklo paruošimo procesas daugiausia apima cheminį nusodinimą garais (Chemical Vapor Deposition, CVD), plazminį cheminį nusodinimą garais (PCVD), netiesioginį cheminį nusodinimą garais ir sol{0}}gelio metodą.
Kvarcinis stiklas taip pat gali būti skirstomas į nepermatomą kvarcinį stiklą ir skaidrų kvarcinį stiklą pagal jo skaidrumą:
Nepermatomame kvarciniame stikle yra daug mažų burbuliukų ir kitų sklaidančių dalelių, kurios atrodo nepermatomos arba pusiau{0}}nepermatomos. Jis gali būti naudojamas gaminant sintezės reaktorius, optinį stiklą ir vieno -kristalinio silicio lydymosi tiglius.
Skaidriame kvarciniame stikle yra nedidelis burbuliukų sklaidos taškų skaičius, paprastai išreiškiamas ppm. Skaidraus kvarcinio stiklo paruošimo sąlygos yra griežtesnės nei nepermatomo kvarcinio stiklo, o jo taikymo sritis yra platesnė. Tai svarbi medžiaga ruošiant aukštos-kokybės optinius komponentus.
Kvarcinio stiklo eksploatacinės savybės yra glaudžiai susijusios su jo cheminiu grynumu, kuriam įtakos turi žaliavos ir paruošimo procesas. Įprastus kvarcinio stiklo defektus galima suskirstyti į dvi kategorijas: struktūrinius ir makroskopinius defektus. Kaip parodyta paveikslėlyje, natūralių kvarco kristalų augimo procese neišvengiamai susidaro įvairūs defektai. Stiklo gaminių paruošimo procese dėl paruošimo proceso ir eksploatacinės aplinkos apribojimų gali patekti įvairių priemaišų, susidaryti liekamasis įtempis, todėl gali atsirasti struktūrinių ir makroskopinių defektų. Struktūriniai kvarcinio stiklo defektai atsiranda dėl priemaišų patekimo į Si-O atominį tinklelį, daugiausia įskaitant metalų priemaišas ir hidroksilo grupes: metalų priemaišos daugiausia gaunamos iš kvarcinio smėlio, o metalinės priemaišos, tokios kaip Fe ir Cr, gali susilpninti absorbciją. Hidroksilo grupės kvarciniame stikle dažniausiai susidaro iš vandenilio -deguonies liepsnos. Hidroksilo grupės paveiks Si-O jungties stabilumą, sumažins kvarcinio stiklo cheminį stabilumą, skatins kristalizacijos reiškinius, o tuo pačiu metu hidroksilo grupės padidins optinius nuostolius artimojo -infraraudonųjų ir vidutinio{10}infraraudonųjų spindulių bangos ilgio srityse. Si-OH ryšių vibracijos sugerties juostos esant tam tikriems bangos ilgiams, pvz., 2,72, 1,39 ir 0,9 μm, turės įtakos kvarcinio stiklo naudojimui optinių skaidulų ir lazerių srityse.
Kvarcinio stiklo makroskopiniai defektai dažniausiai yra burbuliukai, intarpai, dryžiai ir įtrūkimai ir kt. Šie defektai dažniausiai atsiranda dėl nepakankamo žaliavų grynumo arba netinkamo paruošimo proceso. Išlydyto kvarco klampumas yra didelis, o vidiniai burbuliukai sunkiai išsiskiria patys. Jei lydymosi procesas nėra griežtas, gali būti ir toks reiškinys, kai vidinės žaliavos iki galo neišsilydo prieš jas apklijuojant jau išlydytu kvarcu ant paviršiaus. Tuo pačiu metu kvarcinis stiklas yra prastas šilumos laidininkas. Aušinimo proceso metu temperatūros pokyčiai paviršiuje ir viduje yra nenuoseklūs, susidaro didelis temperatūros gradientas, atsiranda šiluminis įtempis, o per didelis šiluminis įtempis gali net sukelti vietinius įtrūkimus. Itin svarbu sumažinti įvairius kvarcinio stiklo defektus ir užtikrinti jo puikias optines savybes.
Viena vertus, ruošiant kvarcinį stiklą netiesioginiu CVD metodu, metalo priemaišų kiekiui sumažinti naudojami didelio -grynumo silicio- turintys junginiai. Kita vertus, sukepinimas naudojamas dehidroksilinimui, efektyviai sumažinant kvarcinio stiklo hidroksilo koncentraciją, todėl jis yra geresnis gilaus ultravioletinių spindulių pralaidumo atžvilgiu, didesnis atsparumo lazerio pažeidimams slenkstis ir dar labiau pagerinamos jo optinės savybės.
Tačiau kai kvarcinis stiklas kaitinamas aukštoje temperatūroje ir atšaldomas iki kambario temperatūros, susidaro šiluminis įtempis, o netolygus vidinis įtempis turės didelę įtaką gaminio optinėms savybėms. Dėl netolygaus įtempių pasiskirstymo pasikeis skirtingų kvarcinio stiklo sričių lūžio rodiklis, dėl to pasikeis pro kvarcinį stiklą praeinančios šviesos optinis kelias ir šviesos intensyvumas, dėl to susidarys netolygus lūžis ir sklaida bei sumažės gaminio optinis vienodumas. Tuo pačiu metu dėl įtampos -sukeltas dvigubo lūžio efektas iškraipys šviesos pluošto bangos frontą. Didelės-galios lazeriniuose įrenginiuose bangos fronto iškraipymas tiesiogiai paveiks lazerio spindulio stabilumą, o dėl vidinio įtempimo taip pat gali sumažėti kvarcinio stiklo atsparumas lazerio pažeidimams, todėl sumažės jo tarnavimo laikas ir patikimumas.
Optinių bangolaidžių įrenginių, tokių kaip masyvo bangolaidžių grotelės, lazeriai, derinami filtrai ir kt., įtempių dvigubas lūžis taip pat yra problema, kurios negalima ignoruoti. Dėl dvigubo įtempių lūžio efekto keičiasi šviesos sklidimo charakteristikos, dėl ko pasikeičia poliarizacijos poslinkis ir nuo poliarizacijos priklausomi nuostoliai. Įtempta sritis gali netgi pakeisti optinio bangolaidžio įrenginio režimo formą, o tai labai paveikti įrenginio veikimą ir stabilumą.
Kontroliuodama įtempį kvarciniame stikle, mūsų įmonė gali išvengti rimtų defektų, tokių kaip įtrūkimai, susidarymo, užtikrindama puikias optines savybes, taip pagerindama kvarcinio stiklo išeigą ir patikimumą, leisdama jam patenkinti įvairių optinių pritaikymų poreikius ir atlikti svarbų vaidmenį pramonėje.
