Le verre de quartz est constitué uniquement de dioxyde de silicium et le modèle structurel actuellement largement accepté est le modèle de réseau aléatoire continu (CRN). Dans ce modèle, les atomes de Si et d'O forment des structures tétraédriques tridimensionnelles -Si-O presque parfaites. Un diagramme schématique illustrant la microstructure planaire du verre de quartz de haute -pureté et sa disposition spatiale est présenté sur la figure. Les liaisons chimiques Si-O ont une énergie de liaison élevée et une courte longueur de liaison, ce qui donne une structure spatiale très compacte. En raison de l'intégrité et de l'étanchéité de sa structure de réseau microscopique, le verre de quartz de haute pureté - présente une série de propriétés complètes excellentes et uniques, telles qu'une transmission optique supérieure, une résistance aux radiations, une stabilité thermique et une stabilité chimique.
L'histoire de la préparation du verre de quartz remonte à 1839, lorsque le Français Gandin a réussi à produire un morceau opaque de verre de quartz en faisant fondre du sable de quartz avec une flamme d'hydrogène-oxygène. Depuis lors, des pays du monde entier se sont activement engagés dans la recherche et le développement de technologies de fabrication du verre de quartz. De nouvelles méthodes de production sont apparues, les processus de fabrication se sont continuellement améliorés et l’industrie a connu une croissance rapide.
La méthode de raffinage du gaz consiste à utiliser une flamme d'hydrogène -oxygène pour faire fondre le quartz naturel, puis à déposer progressivement le matériau fondu sur la surface d'une cible en verre de quartz pour obtenir un lingot de verre de quartz. Les matières premières pour la méthode de fusion électrique et la méthode de raffinage au gaz sont le sable de quartz. Le verre de quartz de haute-pureté a des exigences très strictes en matière de sable de quartz, mais les sources mondiales de minerai de quartz de haute-pureté se trouvent principalement dans des pays comme les États-Unis, la Norvège et l'Australie. La Chine est un consommateur majeur de sable de quartz de haute-pureté, mais les sources de minerai de quartz de haute-pureté dépendent principalement des importations. Le degré élevé de dépendance à l’égard des importations de matières premières peut affecter la stabilité du développement industriel. Par conséquent, le développement du processus de préparation du verre de quartz synthétique est particulièrement important.
Le processus de préparation du verre de quartz synthétique comprend principalement le dépôt chimique en phase vapeur (Chemical Vapor Deposition, CVD), le dépôt chimique en phase vapeur par plasma (PCVD), la méthode de dépôt chimique indirect en phase vapeur et la méthode sol-gel.
Le verre de quartz peut également être classé en verre de quartz opaque et en verre de quartz transparent en fonction de sa transparence :
Le verre de quartz opaque contient un grand nombre de minuscules bulles et autres particules diffusantes, présentant un aspect opaque ou semi-opaque. Il peut être utilisé pour fabriquer des réacteurs de synthèse, du verre optique et des creusets de fusion pour le silicium monocristallin-.
Le verre de quartz transparent contient un petit nombre de points de diffusion de bulles, généralement exprimés en ppm. Les conditions de préparation du verre de quartz transparent sont plus strictes que celles du verre de quartz opaque et sa plage d'applications est plus large. C'est un matériau important pour préparer des composants optiques de haute-qualité.
Les performances du verre de quartz sont étroitement liées à sa pureté chimique, qui est influencée par les matières premières et le processus de préparation. Les défauts courants du verre de quartz peuvent être divisés en deux catégories : les défauts structurels et les défauts macroscopiques. Comme le montre la figure, au cours du processus de croissance des cristaux de quartz naturels, divers défauts se produisent inévitablement. Dans le processus de préparation des produits en verre, en raison des limitations du processus de préparation et de l'environnement d'exploitation, diverses impuretés peuvent être introduites, des contraintes résiduelles peuvent être générées et ainsi des défauts structurels et macroscopiques peuvent survenir. Les défauts structurels du verre de quartz sont causés par l'introduction d'impuretés dans la grille atomique Si-O, comprenant principalement des impuretés métalliques et des groupes hydroxyles : les impuretés métalliques proviennent principalement du sable de quartz, et les impuretés métalliques telles que Fe et Cr peuvent entraîner une atténuation de l'absorption. Les groupes hydroxyle du verre de quartz proviennent généralement de flammes d'hydrogène -oxygène. Les groupes hydroxyle affecteront la stabilité de la liaison Si-O, réduiront la stabilité chimique du verre de quartz, favoriseront l'apparition de phénomènes de cristallisation et, en même temps, les groupes hydroxyle augmenteront la perte optique dans les régions de longueur d'onde du proche-infrarouge et du moyen-infrarouge. Les bandes d'absorption des vibrations des liaisons Si-OH à des longueurs d'onde spécifiques telles que 2,72, 1,39 et 0,9 μm affecteront l'application du verre de quartz dans les domaines des fibres optiques et des lasers.
Les défauts macroscopiques du verre de quartz comprennent principalement des bulles, des inclusions, des rayures et des fissures, etc. Ces défauts sont généralement dus à une pureté insuffisante des matières premières ou à un processus de préparation inapproprié. La viscosité du quartz à l’état fondu est élevée et les bulles internes sont difficiles à échapper d’elles-mêmes. Si le processus de fusion n'est pas strict, il peut également y avoir un phénomène où les matières premières internes n'ont pas complètement fondu avant d'être encapsulées par le quartz déjà fondu à la surface. En même temps, le verre de quartz est un mauvais conducteur thermique. Pendant le processus de refroidissement, les changements de température à la surface et à l'intérieur sont incohérents, formant un gradient de température important, générant une contrainte thermique, et une contrainte thermique excessive peut même provoquer des fissures locales. Réduire divers défauts à l’intérieur du verre de quartz et garantir ses excellentes propriétés optiques est d’une importance cruciale.
Dans le processus de préparation du verre de quartz par la méthode CVD indirecte, d'une part, des composés contenant du silicium-de haute pureté-sont utilisés pour réduire la teneur en impuretés métalliques. D'autre part, le frittage est utilisé pour la déshydroxylation, réduisant efficacement la concentration d'hydroxyle du verre de quartz, le rendant plus supérieur en termes de performances de transmission ultraviolette profonde, avec un seuil plus élevé de résistance aux dommages laser et améliorant encore ses propriétés optiques.
Cependant, lorsque le verre de quartz est chauffé à haute température puis refroidi à température ambiante, une contrainte thermique est générée et la contrainte interne inégale aura un impact significatif sur les propriétés optiques du produit. La répartition inégale des contraintes entraînera une modification de l'indice de réfraction des différentes régions du verre de quartz, entraînant des modifications du chemin optique et de l'intensité lumineuse de la lumière traversant le verre de quartz, générant une réfraction et une diffusion inégales et réduisant l'uniformité optique du produit. Dans le même temps, l'effet de biréfringence induit par la contrainte- entraînera une distorsion du front d'onde du faisceau lumineux. Dans les appareils laser de haute -puissance, la distorsion du front d'onde affectera directement la stabilité du faisceau laser, et la contrainte interne peut également entraîner une diminution de la résistance du verre de quartz aux dommages laser, réduisant ainsi sa durée de vie et sa fiabilité.
Pour les dispositifs à guides d'ondes optiques tels que les réseaux de guides d'ondes matriciels, les lasers, les filtres accordables, etc., la biréfringence sous contrainte est également un problème qui ne peut être ignoré. En raison de l'effet de biréfringence sous contrainte, les caractéristiques de propagation de la lumière sont modifiées, provoquant un décalage de polarisation et une perte dépendante de la polarisation-. La zone sollicitée peut même modifier la forme modale du dispositif à guide d'onde optique, affectant sérieusement les performances et la stabilité du dispositif.
En contrôlant les contraintes dans le verre de quartz, notre société peut éviter la génération de défauts graves tels que les fissures, garantissant ainsi ses excellentes propriétés optiques, améliorant ainsi le rendement et la fiabilité du verre de quartz, lui permettant de répondre aux besoins de diverses applications optiques et de jouer un rôle important dans les applications industrielles.
