Печать
Опубликовано: 14 июля 2014 14 июля 2014
Просмотров: 7666 7666

 Специфические свойства оптического кварцевого стекла выделяют его среди созданных к настоящему моменту для различных применений множеству разнообразных видов стекол. Интересующиеся читатели могут ознакомиться со свойствами стекол, применяемых при изготовлении элементов оптики, в книге [1], или со стеклами, изготавливаемыми для современных мобильных устройств, на веб-сайтах [10], [11]. Но особое место среди оптических стекол благодаря ряду уникальных характеристик занимает оптическое кварцевое стекло (в англоязычной литературе «fused silica»).

 Оптическое кварцевое стекло по своему химическому составу (SiO2, в ряде марок стекла с легирующими добавками) отчасти соответствует наиболее распространенным техническим стеклам (содержат около 70% SiO2 в исходных компонентах). Однако при изготовлении оптического кварцевого стекла используются чистые реактивы (например, природный кристаллический кварц или очищенные химическим путем хлорид кремния и кислород), кроме того, в процессе изготовления не используется сода, доломит и известняк.

Как и все стекла, оптическое кварцевое стекло имеет аморфную структуру, т.е. представляет собой систему атомов, не имеющую дальнего порядка. Как и у других аморфных сред, точка плавления у оптического кварцевого стекла отсутствует, с ростом температуры происходит лишь уменьшение вязкости стекла. Температура размягчения кварцевого стекла, однако, достаточно велика (приблизительно 1665 °С), а промышленное изготовление изделий из кварцевого стекла происходит при еще более высоких температурах (около 2000 °С). Столь высокая термическая стойкость обуславливает, в частности, ряд высокотемпературных применений кварцевого стекла.

Согласно классификации, приведенной в работе [4], по методике изготовления кварцевое стекло подразделяется на четыре типа:

Тип I - производится из природного кварца методом электрической плавки и практически не содержит OH-групп, но содержит относительно высокую концентрацию металлических примесей (до 100 ppm).

Тип II - производится из измельченного кристаллического кварца в водородно-кислородном пламени (процесс Вернейля). Содержит меньше металлических примесей, чем стекло типа I, но существенно больше гидроксильных групп.

Тип III - производится гидролизацией хлорида кремния SiCl4 в водородно-кислородной горелке, практически не содержит металлических примесей, но концентрация гидроксильных групп в стекле достигает 1000 ppm, также стекло содержит примеси хлора.

Тип IV - также производится из хлорида кремния, но в пламени плазменной горелки, не содержащем водяного пара, что позволяет достичь минимального уровня примесей OH-групп и металлов и меньшей концентрации примесей хлора, чем у стекла типа III.

Оптические параметры

В силу того, что основное применение кварцевого стекла связано с оптикой, наиболее интересны с практической точки зрения его оптические характеристики: диапазон прозрачности и расположение линий поглощения, показатель преломления на различных длинах волн, дисперсия, изменение показателя преломления с температурой или при приложении деформации.

Для излучения зеленой линии гелия (587.6 нм) показатель преломления кварцевого стекла приблизительно равен 1.4585. При проектировании оптических систем, следует, однако, иметь в виду, что показатель преломления стекла зависит от длины волны. На рис. 1 приведена спектральная зависимость показателя преломления в наиболее изученном и используемом спектральном диапазоне 0.2-3 мкм (взято из работы [4]), на рис. 2 приведена та же зависимость для более широкого спектрального диапазона (взято из обзорной статьи [5]).

Рис. 1. Зависимость показателя преломления кварцевого стекла от длины волны в наиболее изученном спектральном диапазоне (из [4]).

Рис. 2. Зависимость показателя преломления кварцевого стекла от длины волны для более широкого спектрального диапазона (из [5]).

Для диапазона 0.2 - 3 мкм как для чистого или легированного кварцевого стекла, так и для ряда других стекол, спектральная зависимость показателя преломления с хорошей точностью описывается формулой Сельмейера

Данная формула содержит шесть коэффициентов (l1, l2, l3, B1, B2, B3), характеризующих стекло. Табл. 1 содержит значения коэффициентов для кварцевого стекла без легирующих примесей, взятые из различных источников (небольшая разница в коэффициентах может объясняться разными спектральными диапазонами, в которых аппроксимировался показатель преломления, а также разной температурой в ходе эксперимента и т.д.).

 

Таблица 1. Значения коэффициентов Сельмейера, взятые из различных источников.

Коэффициент

Значение [6]

Значение [3]

Значение [7]

B1

0.69681

0.6968

0.6961663

B2

0.40817

0.4082

0.4079426

B3

0.89493

0.8908

0.8974794

l1, мкм

0.06853

0.06907

0.0684043

l2, мкм

0.11612

0.1157

0.1162414

l3, мкм

9.9140

9.901

9.896161

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для практических приложений также важно знание линий поглощения и окон прозрачности стекла. Стоит отметить, что окна прозрачности у кварцевого стекла разных типов отличаются. На Рис. 3 приведены зависимости коэффициента пропускания образцов толщиной 10 мм из кварцевого стекла от длины волны, взятые из работы [4].

Рис. 3. Пропускание образцов из кварцевого стекла, изготовленных по различной методике.

В некоторых областях техники (например, волоконной оптике) требуется столь высокая прозрачность стекла, что характеризации стекла по типу изготовления оказывается недостаточно, и важно знать концентрацию в стекле примесей отдельных типов. В наиболее чистых образцах стекла уровень примесей снижен практически до нуля.

Показатель преломления стекла также изменяется при изменении температуры или при деформации детали из стекла. Вблизи комнатной температуры термооптический коэффициент изменения показателя преломления равен но с ростом температуры он повышается. Усредненный от 0 до 700 °С коэффициент, по данным [7], равен 12.8 ´10-6 K-1.

Изменение показателя преломления при продольном сжатии или растяжении стекла задается коэффициентами Поккельса. При этом для луча, движущегося параллельно направлению деформации, и перпендикулярно ему, изменение показателя преломления будет различным. Численно «продольный» коэффициент p11=0.113, а «поперечный» p12=0.252. При вычислении изменения показателя преломления сдавливаемого или растягиваемого образца также требуется учесть величину перпендикулярной деформации (коэффициент Пуассона).

Термические параметры

Как и всякая аморфная среда, стекло характеризуется не одной, а несколькими значениями температуры, разделяющими условно-жидкое и условно-твердое состояние. Ниже приведены основные температуры, характеризующие кварцевое стекло, а также ряд термических характеристик стекла. Особенно стоит отметить, что плавленое кварцевое стекло имеет уникально низкий коэффициент термического расширения, что позволяет использовать его в приложениях, где требуются существенные перепады температуры.

Точка размягчения (при достижении данной температуры вязкость стекла снижается до 106 Па×с, т.е. стекло становится «текучим»): ≈1665 °С

Точка отжига напряжений (при достижении данной температуры «стирается» предшествующая термическая история стекла, а также созданные в нем механические напряжения): 1140 °С

Температура стеклования, температура перехода (при достижении данной температуры вязкость стекла снижается до 1012 Па×с. При охлаждении стекла скорость дальнейшего охлаждения практически не влияет на характеристики стекла): 1070 °С

Коэффициент линейного температурного расширения: 5.5×10−7C (усреднен в диапазоне от 20 °Cдо 320 °C)

Теплопроводность: 0.8 - 1.3 Вт/(м×К) (вблизи комнатной температуры)

Удельная теплоемкость: 45.3 Дж/(моль×К) (вблизи комнатной температуры)

Кроме указанных температур, изделие из кварцевого стекла может быть охарактеризовано фиктивной температурой, которая зависит от скорости остывания изделия. Степень «беспорядка» в сетке стекла (отклонение углов и расстояний между атомами от оптимальных значений, наблюдаемых в кристаллах), задающая фиктивную температуру, оказывается тем выше, чем быстрее стекло охлаждалось. При медленном остывании стекла фиктивная температура приблизительно равна 1000 °С, при быстром охлаждении стекла можно достичь фиктивной температуры 1800 °С. Образцы стекла с одинаковым составом, но разной фиктивной температурой могут существенно различаться по некоторым характеристикам (например, радиационной стойкости).

Механические параметры

Кварцевое стекло имеет существенно меньшую плотность, чем кристаллический кварц, однако прочностные характеристики данного материала достаточно высоки. Основные механические характеристики кварцевого стекла представлены ниже.

Плотность:                           2.200 - 2.206 г/см3 (комнатная температура)

Модуль упругости              71.7 ГПа

Модуль сдвига                    31 ГПа

Модуль объемного сжатия ~37 ГПа

Коэффициент Пуассона    0.161 - 0.175

Прочность на разрыв        48.3 МПа, зависит от типа стекла

Прочность на сжатие         >1.1 ГПа

Твердость (по Моосу)       5.3-6.5

Электрические параметры

По своим электрическим характеристикам кварцевое стекло является диэлектриком с высоким сопротивлением и электрической прочностью. Ниже представлены его основные электрические характеристики.

Электрическое сопротивление                   >1012 Ом×мм2

Диэлектрическая проницаемость              3.75 (20 °С, частота 1 МГц)

Электрическая прочность                            250-400 кВ/см (20 °С)

 

Литература:

Книги:

[1] H. Bach, N. Neuroth “The properties of optical glass” изд-во Springler, 2еизд. (1998 г.)

[2] В.К. Леко, О.В. Мазурин «Свойства кварцевого стекла», Л., 1985

[3] A. Mendez, T. F. Morse, “Specialty Optical Fibers Handbook”, изд-во Academic Press (2011)

Научные статьи:

[4] R. Bruckner “Properties and structure of vitreous silica I”, Journal of non-crystalline solids 5, 123-175 (1970)

[5] R. Kitamura, L. Pilon, M. Jonazs, “Optical constants of silica glass from extreme ultraviolet to far infrared near room temperature”, Applied optics 46(33), 8118 - 8133 (2007)

[6] J. W. Fleming, D. L. Wood, «Refractive index dispersion and related properties in fluorine doped silica», Applied Optics 22(19), 3102-3104 (1983)

Веб-сайты:

[7] http://www.en.wikipedia.org

[8] http://traditio-ru.org

[9] http://desglass.ru

[10] http://www.corning.com

[11] http://www.corninggorillaglass.com/Gorilla-Glass