Производство оптических изделий из кварца виды, свойства, марки

Содержание

Оптические изделия из кварца производят из плавленого кварцевого стекла марок КУ-1, КУ-2, КВ, КИ по ГОСТ 15130-86 методом плавки SiO₂ при 1750-2000°C с последующей резкой, шлифовкой, полировкой и интерферометрическим контролем. Базовое сырьё — природный жильный кварц или синтетический тетрахлорид кремния SiCl₄ с чистотой SiO₂ не ниже 99.99%. Размягчение кварцевого стекла наступает при 1550°C, рабочая температура достигает 1200°C, ТКЛР составляет 5.5×10⁻⁷ K⁻¹, плотность — 2.20 г/см³. К оптическим изделиям из кварца относят оптические окна, линзы, призмы, клинья, резонаторы и зеркала, распыляемые мишени, кюветы для УФ-спектрометрии. Марка КУ-1 пропускает 90–93% света в полосе 170-2500 нм без полосы поглощения 170-250 нм, содержание примесей Al и Na в ней не превышает 1 ppm — поэтому именно она используется для дальнего УФ и эксимерных лазеров 193 нм. Точность плоскостности рабочей поверхности задаётся в долях контрольной длины волны 632.8 нм гелий-неонового лазера: для кювет УФ-спектрометрии и лабораторной оптики типовое требование — λ/10, для лазерных резонаторов и интерферометров — λ/20. Контроль плоскостности и сферичности выполняется интерферометром на 632.8 нм по ГОСТ 11141-84. Каждая марка стекла отличается набором полос поглощения в УФ и ИК-областях, поэтому подбор материала ведётся под конкретный спектральный диапазон задачи. Кварцевая оптика применяется в эксимерных лазерах 193 нм, спектрофотометрах УФ-диапазона, ИК-печах, тепловизионных системах, установках напыления тонких плёнок.

Какие виды оптических изделий делают из кварца

Семь основных видов оптических изделий из кварцевого стекла. Слева направо: оптическое окно, плосковыпуклая линза, прямоугольная призма, клин, резонатор, распыляемая мишень SiO₂, кювета для УФ-спектрометрии.

Серийная номенклатура оптических изделий из кварцевого стекла включает семь крупных групп. Каждая группа жёстко привязана к рабочему спектральному диапазону и марке стекла.

• Оптические окна — плоскопараллельные пластины и клиновидные окна для смотровых портов установок, эксимерных лазеров 193 нм, спектрофотометров. Изготавливаются из КУ-1 для УФ-диапазона 170-2500 нм и из КВ для видимого и ближнего ИК.
• Линзы из кварцевого стекла — плосковыпуклые, двояковыпуклые, плосковогнутые, мениски, цилиндрические. Применяются в лазерных системах, оптических приборах, фокусирующих узлах эксимерных и Nd:YAG лазеров.
• Призмы — прямоугольные, ромбические, отражательные, призмы Дове. Работают на полном внутреннем отражении в диапазоне 200-2500 нм без металлизации.
• Оптические клинья — для отклонения луча на заданный угол, юстировки и калибровки оптических трактов. В составе лазерной оптики клинья используются для тонкой подстройки направления пучка.
• Оптические резонаторы и зеркала — для газоразрядных, твердотельных и эксимерных лазеров. Требуют точности поверхности λ/20 и стекла КУ-1 или КУВИ с радиационно-оптической устойчивостью.
• Распыляемые мишени SiO₂ — диски и пластины для магнетронного и ионно-лучевого напыления диэлектрических плёнок в установках вакуумного нанесения покрытий.
• Кварцевые кюветы для спектрофотометрии — рабочий диапазон 190-400 нм, для спектрофотометров Shimadzu UV-1800, Hitachi U-2900 и аналогов.

Свойства кварцевого стекла как оптического материала

Сравнительная инфографика свойств кварцевого стекла SiO₂ и боросиликатного: температура, ТКЛР, пропускание УФ

Свойства кварцевого стекла как материала для оптических изделий из кварца определяются способом плавки и набором примесей. Рабочая температура плавленого кварца достигает 1200°C, размягчение наступает при 1550°C — более чем вдвое выше, чем у обычного оконного натрий-кальциевого стекла с точкой размягчения около 700°C. Коэффициент линейного расширения 5.5×10⁻⁷ K⁻¹ почти на порядок ниже, чем у боросиликатного стекла с ТКЛР 33×10⁻⁷ K⁻¹, что даёт устойчивость к термоудару. Плотность кварцевого стекла — 2.20 г/см³, твёрдость по Моосу 7, показатель преломления n_d ≈ 1.4585 для длины волны 587.56 нм.

Спектральный диапазон зависит от марки. КУ-1 пропускает 90-93% света в полосе 170-2500 нм, КВ — 260-3500 нм, КИ работает до 2.7-3.5 мкм без полосы поглощения 2600-2800 нм. Содержание гидроксильных групп OH варьируется от 5 до 150 ppm и определяет интенсивность ИК-полосы 2700 нм. Двулучепреломление по ГОСТ 23136-93 у оптических марок не превышает нормированных значений, оптическая однородность задаётся категориями 1-4. Для оптических изделий из кварца, работающих под лазерным излучением высокой плотности, дополнительно нормируется радиационно-оптическая устойчивость — её обеспечивают марки КУВИ и КУВ.

По химической стойкости кварцевое стекло устойчиво к соляной кислоте HCl, серной H₂SO₄, азотной HNO₃ и к большинству органических растворителей; по ГОСТ 23136-93 относится к группам Г–Д пятновой устойчивости. Ограничения принципиальны: материал растворяется плавиковой кислотой HF с образованием SiF₄, не выдерживает контакта со щелочами при высокой температуре, а при выдержке выше 1100°C начинается девитрификация — поверхностная кристаллизация в кристобалит, после которой стекло теряет прозрачность и трескается при охлаждении. Поэтому марку и режим эксплуатации подбирают по конкретному спектральному диапазону, температуре и среде.

Марки оптического кварцевого стекла по ГОСТ 15130-86

Сравнение спектральных диапазонов пропускания марок кварцевого стекла по ГОСТ 15130-86. КУ-1 и КУВИ перекрывают УФ от 170 нм; КВ и КИ расширяют диапазон в ИК до 3500 нм.

ГОСТ 15130-86 регламентирует шесть основных марок оптического кварцевого стекла и задаёт нормы по полосам поглощения, оптической однородности, пузырности и радиационно-оптической устойчивости. Именно по этому стандарту маркируются все оптические изделия из кварца, выпускаемые на территории РФ. Расшифровка маркировки и привязка к видам изделий — в таблице ниже.

Подробный разбор характеристик марки см. в материале о кварцевом стекле КУ-1. Справочные таблицы по пропусканию приводят также TYDEX и Электростекло.

Производство кварцевого стекла и его методы плавки

Кислородно-водородная плавка синтетического кварца (SiCl₄) при 1800–2000°C — метод получения марки КУ-1 с минимальным содержанием примесей.

Производство кварцевой оптики начинается с получения заготовки одним из трёх промышленных методов. Выбор метода определяет марку и набор остаточных примесей Al, Na, Fe, Cl, OH, а значит — спектральный диапазон будущих оптических изделий из кварца. Технология производства кварцевой оптики на этапе варки заготовки задаёт верхнюю границу качества всех последующих переделов: дефекты плавки шлифовкой и полировкой не исправляются.

1. Электровакуумная одностадийная плавка природного жильного кварца в вольфрамовом тигле с электронагревателями при 1750-1800°C. Даёт марки КИ и КВ. Содержание примесей — на уровне исходного сырья.
2. Электровакуумная двухстадийная плавка — слиток наплавляется в вакуумной печи, затем переплавляется в индукционной печи для гомогенизации. Так получают КУ-2 с пониженной свильностью и пузырностью.
3. Кислородно-водородная плавка SiCl₄ при 1800-2000°C — синтетический кварц. Тетрахлорид кремния SiCl₄ окисляется в пламени до SiO₂, частицы осаждаются на затравке. Марка КУ-1 имеет содержание примесей Al и Na ниже 1 ppm и Fe ниже 0.1 ppm, но повышенное содержание OH-групп до 150 ppm — отсюда полоса 2700 нм.

Эти три метода и определяют, какая марка пойдёт на изготовление кварцевой оптики того или иного назначения. Полный разбор всех способов получения кварцевого стекла с привязкой к маркам — в отдельной статье. Вопросы химической чистоты кварцевого стекла (содержание SiO₂, OH, металлических примесей) — там же. Одностадийная и двухстадийная плавка природного сырья освещена у Гусевского стекольного завода и в обзорах TYDEX, кислородно-водородный синтез — в технической документации Электростекло.

Цикл изготовления оптического изделия

Финишная полировка оптической пластины: суспензия CeO₂ на смоляном полировальнике, точность поверхности по итогу — до λ/10 на длине волны 632.8 нм.

Изготовление кварцевой оптики включает шесть последовательных операций после получения заготовки из кварцевого стекла. На этом этапе оптические изделия из кварца получают окончательную геометрию, точность поверхности и класс чистоты.

1. Резка заготовки — алмазные диски, толщина пропила 0.3-0.5 мм, припуск на дальнейшую обработку ±0.5 мм по чертежу.
2. Формование и черновое обтачивание — алмазный инструмент, выход на номинальную геометрию с допуском ±0.05 мм.
3. Шлифовка — последовательная обработка алмазными порошками убывающей зернистости 60-100 мкм, затем 28 мкм, затем 3-5 мкм. На последнем переходе снимается припуск до 0.01 мм.
4. Полировка — суспензия оксида церия CeO₂ или оксида железа Fe₂O₃ на смоляном или пенополиуретановом полировальнике. Конвергентная полировка плавленого кварца даёт точность λ/2 примерно за 4 часа. Магнитореологическая обработка MRF выводит шероховатость на нанометровый уровень.
5. Контроль — интерферометр на длине волны 632.8 нм гелий-неонового лазера. Оценивается плоскостность, сферичность, чистота поверхности по ГОСТ 11141-84 и комплексные технические требования по ГОСТ 27460-87.
6. Маркировка и упаковка — паспорт качества с указанием марки стекла, точности поверхности, класса чистоты, спектральных параметров.

В критических узлах — лазерных резонаторах и интерферометрах — после механической полировки выполняют ионно-лучевую финишную обработку и наносят просветляющие либо высокоотражающие диэлектрические покрытия.

Точность поверхности и допуски

Интерферометрический контроль плоскостности кварцевой пластины на длине волны He-Ne лазера 632.8 нм. Прямолинейные полосы без изгибов соответствуют точности λ/10 (≈63 нм).

Контрольная длина волны для интерферометрии плоской и сферической оптики — 632.8 нм гелий-неонового лазера. Точность плоскостности задаётся в долях этой длины волны. А почему оптические изделия из кварца для разных задач делают с такой разной точностью — от λ/4 до λ/20? Потому что каждая последующая ступень удорожает изделие в разы и оправдана только конкретной оптической схемой.

• λ/4 (≈158 нм) — стандарт промышленных смотровых окон и неответственной оптики.
• λ/10 (≈63 нм) — лабораторная и спектрометрическая оптика, кюветы УФ, лазерная оптика общего назначения.
• λ/20 (≈32 нм) — лазерные резонаторы, интерферометры, эталонные пластины.

Чистота поверхности оптических деталей нормируется по ГОСТ 11141-84, классы P–IV, от полированной без видимых дефектов до технической. Параллельность плоскостей плоскопараллельных пластин достигает 1 угловой секунды; клиновой угол окон-клиньев нормируется на чертеже.

При поставке партий мы контролируем плоскостность интерферометром на 632.8 нм, допуск согласовываем по ТЗ заказчика — типовое требование λ/10, для лазерных резонаторов λ/20. Содержание OH-групп в материале мониторим по полосе 2700 нм в пределах 5-150 ppm.

Сводная таблица видов изделий  и их параметры

Эта инженерная сводка покрывает основные позиции каталога кварцевой оптики и связывает четыре параметра выбора в одной таблице. В открытых отраслевых источниках такой матрицы не встречается — обычно информация разнесена по разным карточкам.

Нормативная база производства кварцевой оптики

Производство и контроль оптических изделий из кварца в России опирается на пять профильных стандартов.

• ГОСТ 15130-86 — Стекло кварцевое оптическое. Общие технические условия. Регламентирует марки КУ-1, КУ-2, КВ, КИ, КУВИ, КУВ, спектральное пропускание, полосы поглощения, методы контроля.
• ГОСТ 23136-93 — Материалы оптические. Параметры. Задаёт показатель преломления, среднюю дисперсию, оптическую однородность, двулучепреломление, бессвильность, пузырность.
• ГОСТ 11141-84 — Детали оптические. Классы чистоты P–IV и методы их контроля.
• ГОСТ 27460-87 — Детали из оптического стекла, кварцевого стекла и кристаллов. Технические требования к допускам, шероховатости, маркировке.
• ГОСТ 13659-78 — Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Используется как справочник по плотности, ТКЛР, термооптическим постоянным.

При поставках на госзаказ и в оборонные предприятия ссылки на действующую редакцию каждого ГОСТа указываются в паспорте качества партии.

Частые вопросы

Чем оптический кварц отличается от обычного стекла?

Кварцевое стекло работает до 1200°C при размягчении 1550°C, тогда как обычное натрий-кальциевое стекло размягчается при 700°C и имеет рабочую температуру около 500°C. ТКЛР кварца 5.5×10⁻⁷ K⁻¹ в 6 раз ниже, чем у боросиликатного стекла 33×10⁻⁷ K⁻¹, и на порядок ниже, чем у оконного. Кварц прозрачен в УФ начиная со 170 нм, обычное стекло обрезает УФ ниже 350 нм.

Какую марку кварца выбрать для УФ-диапазона?

Для работы в УФ ниже 250 нм используют КУ-1: согласно ГОСТ 15130-86, эта марка не имеет полосы поглощения 170–250 нм. Пропускание КУ-1 составляет 90–93% в диапазоне 170–2500 нм. Для эксимерных лазеров 193 нм и спектрофотометрии в дальнем УФ другие марки кварца не подходят.

До какой точности можно отполировать кварцевое окно?

На конвергентной полировке с суспензией CeO₂ достигается λ/2 за 4 часа, при дальнейшей доводке выходит λ/10 на 632.8 нм. Магнитореологическая обработка MRF выводит точность поверхности до λ/20 при шероховатости на нанометровом уровне. Такая точность нужна для лазерных резонаторов и интерферометров.

Почему кварцевую оптику нельзя использовать с плавиковой кислотой?

Плавиковая кислота HF растворяет диоксид кремния SiO₂ с образованием тетрафторида SiF₄ и воды. Реакция идёт уже при комнатной температуре, поэтому контакт оптических изделий из кварца с HF и её парами недопустим. По той же причине кварц несовместим с расплавами щелочей при высокой температуре.

Какая температура нужна для плавки кварца?

Кислородно-водородная плавка SiCl₄ для синтетического кварца идёт при 1800–2000°C. Природный жильный кварц плавят в вольфрамовом тигле при 1750–1800°C в одностадийной электровакуумной печи. Двухстадийная плавка добавляет переплавку в индукционной печи для гомогенизации слитка.

Какие виды оптических изделий из кварца производят серийно?

Серийно производят оптические окна плоскопараллельные и клиновидные, линзы плосковыпуклые, двояковыпуклые, плосковогнутые, мениски и цилиндрические, призмы прямоугольные, ромбические, отражательные и Дове, оптические клинья, резонаторы и зеркала для лазеров, распыляемые мишени SiO₂ и кварцевые кюветы 190–400 нм для УФ-спектрометрии.

Изготавливаем оптические изделия из кварцевого стекла КУ-1, КУ-2, КВ, КИ по чертежам и ТЗ заказчика — расчёт стоимости и сроков по запросу.

Об авторе

Инженер-оптик ГК «Кварц-Пром». Специализация — подбор оптических материалов для УФ, видимого и ИК-диапазона, расчёт оптических систем, сопровождение заказчиков по проектированию окон, линз, призм и резонаторов из кварцевого стекла КУ-1, КУ-2, КВ, КИ.