Стекла

Кремниевое, силикатное и кварцевое стекло в производстве оптики: свойства, технологии и применение

Оптическая промышленность активно использует различные виды стекла, среди которых особое место занимают кремниевое (кварцевое), силикатное и специализированные оптические стекла. Каждый материал обладает уникальными характеристиками, определяющими его применение в линзах, призмах, волоконной оптике, лазерных системах и УФ-ИК-приборах. В этой статье подробно рассмотрены свойства, методы производства и ключевые области применения этих материалов.

Свойства кварцевого стекла

Поскольку у кварцевого стекла состав уникален, то и его свойства его тоже не схожи с характеристиками обычного стекла:

• высокая однородность;
• почти не происходит светопоглощение;
• стойкость к температурным перепадам, слишком высоким и слишком низким параметрам;
• сильная сопротивляемость к лазерному и ионизирующему сопротивлению;
• высокие диэлектрические свойства.

Ориентир в производстве стекла кварцевого — ГОСТ. Строгие правила позволяют получать высококачественный материал, который затем активно используется во многих областях.

Применение кварцевого стекла

Существует широкий спектр видов кварцевых стекол, поэтому кремниевая продукция используется повсеместно. Ее активно применяют для изготовления оптических приборов, оснащения для химических лабораторий, оборудования для изучения космоса.

Что делают из кварцевого стекла:

• призмы высокой прозрачности;
• оптические изделия;
• линзы с широким диапазоном светопропускания.

От чего зависит сфера использования кварцевого стекла? Типа прозрачности. Их всего два: прозрачное и непрозрачное, содержащее пузырьки газа.

Производство

Производство кварцевого стекла осуществляется посредством плавления сырья, содержащего диоксид кремния. В качестве источника кремния выступают: синтетический и жильный кварц, а также кварцевый песок. Плавление происходит при температуре свыше 1500 °C.

Обработка осуществляется алмазными дисками и карборундом. Заготовки можно сверлить, шлифовать и полировать.

Разновидности

• Непрозрачное. Изготавливается из чистого песка. Подходит для производства стеклянного лабораторного оборудования с высокой термостойкостью.
• Техническое прозрачное. Его делают из горного хрусталя или синтетической двуокиси кремния.
• Оптическое прозрачное. Оно производится из чистого кварца.
• Легированное. Его получают путем добавления специальных ингредиентов в состав стекла.
• Особо чистое. В нем минимум пузырьков и примесей, она максимально пропускает свет. Используется для оптоволокна.
• Керамическое стекло. Подходит для изготовления огнеупорных деталей.

За счет физической и химической устойчивости кварц подходит для производства выпарных чашек, лодочек для сжигания, ванночек для отжига, термостойкой плитки.

1. Виды стекла и их состав

1.1. Кварцевое стекло (плавленый кварц, SiO₂)

• Состав: почти чистый диоксид кремния (≥99,9%).
• Получение:
  • Плавление природного кварца или синтез из SiCl₄ в кислородной среде.
  • Высокотемпературная обработка (1700–2000°C).
• Ключевые свойства:
  • Высокая термостойкость (до 1200°C).
  • Низкий коэффициент теплового расширения (0,55×10⁻⁶/°C).
  • Прозрачность в УФ, видимом и ИК-диапазонах.
  • Химическая инертность (кроме HF).

1.2. Силикатное стекло (обычное оптическое стекло)

• Состав: SiO₂ (70–75%) + оксиды Na, Ca, B, Al и др.
• Типы:
  • Крон (низкая дисперсия): SiO₂ + Na₂O, CaO.
  • Флинт (высокая дисперсия): SiO₂ + PbO.
• Свойства:
  • Дешевле кварца, но менее термостойко.
  • Хорошая обрабатываемость (полировка, резка).
  • Широкий выбор оптических характеристик (коэффициент преломления, дисперсия).

1.3. Кремниевое стекло (технический кварц)

• Отличие от кварцевого: содержит больше примесей (Fe, Al).
• Применение:
  • Окна для ИК-оптики.
  • Подложки для зеркал и фильтров.

2. Технологии производства оптических элементов

2.1. Изготовление кварцевого стекла

• Методы:
  • Плазменное плавление: для сверхчистого кварца.
  • Химическое осаждение (CVD): для волоконной оптики.
• Обработка:
  • Алмазная резка, ультразвуковая обработка.
  • Полировка до уровня λ/10 (для лазерной оптики).

2.2. Производство силикатных стекол

• Этапы:
  • Плавление шихты (песок + добавки).
  • Гомогенизация и формование (прессование, вытягивание).
  • Отжиг для снятия напряжений.
• Оптическая полировка:
  • Использование оксида церия для достижения шероховатости <1 нм.

3. Применение в оптике

3.1. Кварцевое стекло

• УФ-оптика: линзы для эксимерных лазеров (ArF, KrF).
• Лазерные системы: окна резонаторов, призмы.
• Волоконная оптика: сердечники световодов.
• Космическая оптика: устойчивость к радиации.

3.2. Силикатное стекло

• Фотография и микроскопия: объективы, фильтры.
• Очки и линзы: коррекция дисперсии.
• Проекционные системы: призмы, светоделители.

3.3. Кремниевое стекло

• ИК-оптика: окна для тепловизоров.
• Подложки для покрытий: зеркала с металлическим напылением.

4. Сравнительный анализ материалов

5. Перспективные разработки

• Гибридные стекла: кварц + полимеры для гибкой оптики.
• Наноструктурированные покрытия: уменьшение отражения.
• Активные оптические материалы: изменение коэффициента преломления под напряжением.

Кварцевое стекло остается незаменимым для УФ- и высокотемпературных применений, силикатные стекла доминируют в массовой оптике, а кремниевые — в ИК-технике. Развитие технологий позволяет создавать новые композитные материалы, расширяющие границы оптических систем.