זכוכית קוורץ מורכבת אך ורק מסיליקון דו חמצני, והמודל המבני המקובל כיום הוא מודל הרשת האקראית הרציפה (CRN). במודל זה, אטומי Si ו-O יוצרים מבנים טטרהדרליים של Si- כמעט מושלמים. תרשים סכמטי הממחיש את המיקרו-מבנה המישורי של זכוכית קוורץ בטוהר- גבוה ואת הסידור המרחבי שלה מוצג באיור. לקשרים הכימיים Si-O יש אנרגיית קשר גבוהה ואורך קשר קצר, וכתוצאה מכך מבנה מרחבי קומפקטי ביותר. בשל השלמות והאטימות של מבנה הרשת המיקרוסקופי שלה, זכוכית קוורץ בטוהר- גבוה מציגה סדרה של תכונות מקיפות מעולות וייחודיות, כגון שידור אופטי מעולה, עמידות לקרינה, יציבות תרמית ויציבות כימית.
ההיסטוריה של הכנת זכוכית קוורץ מתחילה בשנת 1839, כאשר גנדין הצרפתי ייצר בהצלחה חתיכה אטומה של זכוכית קוורץ על ידי המסת חול קוורץ עם להבת מימן- חמצן. מאז, מדינות ברחבי העולם עוסקות באופן פעיל במחקר ופיתוח של טכנולוגיות ייצור זכוכית קוורץ. שיטות ייצור חדשות הופיעו, תהליכי הייצור השתפרו ללא הרף, והתעשייה חוותה צמיחה מהירה.
שיטת זיקוק הגז כוללת שימוש בלהבת חמצן-מימן כדי להמיס קוורץ טבעי, ולאחר מכן הפקדה הדרגתית של החומר המותך על פני השטח של מטרת זכוכית קוורץ כדי להשיג מטיל זכוכית קוורץ. חומרי הגלם הן לשיטת ההיתוך החשמלי והן לשיטת זיקוק הגז הם חול קוורץ. לזכוכית קוורץ בטוהר-גבוהה דרישות מחמירות מאוד לחול קוורץ, אך המקורות העולמיים של עפרות קוורץ בטוהר-גבוהים נמצאים בעיקר במדינות כמו ארצות הברית, נורבגיה ואוסטרליה. סין היא צרכנית עיקרית של חול קוורץ בטוהר-גבוה, אך המקורות לעפרות קוורץ בטוהר-גבוהים מסתמכים בעיקר על יבוא. מידת ההסתמכות הגבוהה על יבוא חומרי גלם עשויה להשפיע על יציבות הפיתוח התעשייתי. לכן, פיתוח תהליך ההכנה לזכוכית קוורץ סינתטית חשוב במיוחד.
תהליך ההכנה של זכוכית קוורץ סינתטית כולל בעיקר שקיעת אדים כימית (Chemical Vapor Deposition, CVD), שקיעת אדים כימית בפלזמה (PCVD), שיטת שקיעת אדים כימית עקיפה ושיטת סול-ג'ל.
ניתן לסווג זכוכית קוורץ גם לזכוכית קוורץ אטומה ולזכוכית קוורץ שקופה על סמך השקיפות שלה:
זכוכית קוורץ אטומה מכילה מספר רב של בועות זעירות וחלקיקים מתפזרים אחרים, המציגים מראה אטום או אטום למחצה-. זה יכול לשמש לייצור כורי סינתזה, זכוכית אופטית וכור היתוך לסיליקון -יחיד גבישי.
זכוכית קוורץ שקופה מכילה מספר קטן של נקודות פיזור בועות, המתבטאות בדרך כלל ב-ppm. תנאי ההכנה לזכוכית קוורץ שקופה מחמירים יותר מאלו של זכוכית קוורץ אטומה, ויש לה טווח שימוש רחב יותר. זהו חומר חשוב להכנת רכיבים אופטיים באיכות גבוהה-.
הביצועים של זכוכית קוורץ קשורים קשר הדוק לטוהר הכימי שלה, המושפע מחומרי הגלם ומתהליך ההכנה. ניתן לחלק את הפגמים הנפוצים בזכוכית קוורץ לשתי קטגוריות: פגמים מבניים ופגמים מקרוסקופיים. כפי שמוצג באיור, במהלך תהליך הצמיחה של גבישי קוורץ טבעיים, נוצרים בהכרח פגמים שונים. בתהליך ההכנה של מוצרי זכוכית, בשל מגבלות תהליך ההכנה וסביבת ההפעלה, עלולים להיווצר זיהומים שונים, להיווצר מתח שיורי וכך עלולים להיווצר פגמים מבניים ופגמים מקרוסקופיים. הפגמים המבניים של זכוכית קוורץ נגרמים מהחדרת זיהומים לרשת האטומית Si-O, כולל בעיקר זיהומי מתכת וקבוצות הידרוקסיל: זיהומי מתכת מגיעים בעיקר מחול קוורץ, וזיהומי מתכת כגון Fe ו-Cr יכולים להוביל להנחתה בספיגה. קבוצות ההידרוקסיל בזכוכית קוורץ מגיעות בדרך כלל מלהבות מימן- חמצן. קבוצות ההידרוקסיל ישפיעו על יציבות הקשר Si-O, יפחיתו את היציבות הכימית של זכוכית קוורץ, יקדמו את התרחשותן של תופעות התגבשות, ובמקביל, קבוצות ההידרוקסיל יגבירו את האובדן האופטי באזורי -אינפרא אדום ובאמצע{10}}אורך גל אינפרא אדום. פסי ספיגת הרטט של קשרי Si-OH באורכי גל ספציפיים כגון 2.72, 1.39 ו-0.9 מיקרומטר ישפיעו על היישום של זכוכית קוורץ בתחומי סיבים אופטיים ולייזרים.
הפגמים המקרוסקופיים של זכוכית קוורץ כוללים בעיקר בועות, תכלילים, פסים וסדקים וכו'. פגמים אלו מתרחשים בדרך כלל עקב חוסר ניקיון מספק של חומרי הגלם או תהליך הכנה לא תקין. הצמיגות של קוורץ במצב מותך גבוהה, וקשה לברוח מהבועות הפנימיות בעצמן. אם תהליך ההיתוך אינו קפדני, עלולה להיות גם תופעה שבה חומרי הגלם הפנימיים לא נמסו לחלוטין לפני שהובלעו על ידי הקוורץ שכבר מותך על פני השטח. יחד עם זאת, זכוכית קוורץ היא מוליך תרמי גרוע. במהלך תהליך הקירור, שינויי הטמפרטורה על פני השטח והפנים אינם עקביים, יוצרים שיפוע טמפרטורה גדול, יוצר מתח תרמי ולחץ תרמי מוגזם עלול אף לגרום לסדקים מקומיים. הפחתת פגמים שונים בתוך זכוכית קוורץ והבטחת התכונות האופטיות המעולות שלה היא בעלת חשיבות מכרעת.
בתהליך הכנת זכוכית קוורץ בשיטת CVD עקיפה, מחד, משתמשים בתרכובות המכילות-סיליקון בטוהר- גבוה להפחתת תכולת זיהומי המתכת. מצד שני, סינטרה משמשת לדה-הידרוקסילציה, ומפחיתה ביעילות את ריכוז ההידרוקסיל של זכוכית קוורץ, מה שהופך אותה לעליונה יותר בביצועי שידור אולטרה סגול עמוקים, עם סף גבוה יותר לעמידות בפני נזקי לייזר, ומשפר עוד יותר את התכונות האופטיות שלה.
עם זאת, כאשר זכוכית קוורץ מחוממת בטמפרטורות גבוהות ולאחר מכן מקורר לטמפרטורת החדר, נוצר לחץ תרמי, וללחץ הפנימי הלא אחיד תהיה השפעה משמעותית על התכונות האופטיות של המוצר. הפיזור הלא אחיד של הלחץ יגרום לשינוי מקדם השבירה של אזורים שונים של זכוכית קוורץ, וכתוצאה מכך שינויים בנתיב האופטי ובעוצמת האור של האור העובר דרך זכוכית הקוורץ, יוצר שבירה ופיזור לא אחידים, ומפחית את האחידות האופטית של המוצר. במקביל, אפקט השבירה הדו-כפולה המושרה-תגרום לעיוות חזית הגל של קרן האור. במכשירי לייזר- בהספק גבוה, העיוות של חזית הגל ישפיע ישירות על יציבות קרן הלייזר, והמתח הפנימי עלול להוביל גם לירידה בהתנגדות לנזקי הלייזר של זכוכית קוורץ, ולהפחית את חיי השירות והאמינות שלה.
עבור התקני מוליכי גל אופטיים כגון רשתות מוליכי גל מערך, לייזרים, מסננים ניתנים לכוונון וכו', שבירה כפולה של מתח היא גם בעיה שאי אפשר להתעלם ממנה. בשל אפקט השבירה הדו-המתח, מאפייני ההתפשטות של האור משתנים, מה שגורם להסטת קיטוב ואובדן-תלוי בקיטוב. האזור הלחוץ עלול אפילו לשנות את צורת המצב של התקן מוליך הגלים האופטי, ולהשפיע באופן רציני על הביצועים והיציבות של המכשיר.
על ידי שליטה במתח בתוך זכוכית קוורץ, החברה שלנו יכולה למנוע יצירת פגמים חמורים כמו סדקים, להבטיח את התכונות האופטיות המעולות שלה, ובכך לשפר את התפוקה והאמינות של זכוכית קוורץ, ולאפשר לה לענות על הצרכים של יישומים אופטיים שונים ולמלא תפקיד חשוב ביישומים תעשייתיים
