熔融石英玻璃光学性能有哪些?

发布时间:2025-08-15 15:23:53 | 信息来源:微米光学 | 文章类型:原创 | 点击量:0

熔融石英玻璃(Fused Silica/Fused Quartz)是一种由高纯度二氧化硅(SiO₂)熔融后快速冷却形成的非晶态(玻璃态)固体。由于其独特的结构和极高的纯度,它在光学领域拥有极其优异且关键的性能,使其成为高端光学应用的首选材料之一。

极宽的透光范围

深紫外 (DUV): 可透射至约 190 nm 的波长(取决于纯度和羟基含量,超高纯度低羟基型可达 160-170 nm)。这是其在光刻(半导体制造)、紫外光谱仪、紫外激光系统中不可替代的原因。

紫外 (UV): 在整个紫外波段都有优异的高透射率。

可见光 (VIS): 在可见光波段(约 380-780 nm)具有非常高的透射率(通常 >92% 每厘米厚度)。

近红外 (NIR): 透射良好,可延伸至约 2.2 - 3.5 µm(具体取决于羟基含量,羟基在 2.7 µm 和 2.2 µm 附近有强吸收峰)。低羟基熔融石英可透射至 ~3.5 µm。

中红外 (MIR): 透射性在 3.5 µm 以上急剧下降,不适合用作中远红外光学材料。

优异的光学均匀性

在熔融和固化过程中能形成极其均匀的非晶态结构,几乎没有条纹、气泡或夹杂物(高等级产品)。

折射率在整块材料内部和不同批次之间变化极小(Δn 可低至 10⁻⁶ 量级)。

至关重要于需要最小波前畸变的应用,如高分辨率成像系统(望远镜、显微镜)、激光谐振腔、精密光学元件(透镜、棱镜、窗口)。

低且稳定的折射率

可见光区域的折射率约为 1.458(在 587.6 nm, nd)。

折射率随温度的变化系数非常小(dn/dT ≈ 10×10⁻⁶ /°C),使其在温度变化环境中性能稳定。

低色散

具有较高的阿贝数(约 67.8),意味着折射率随波长的变化相对平缓。

这一特性使其非常适用于需要校正色差的光学系统,常与高色散的“火石”玻璃配对使用制作消色差双合透镜。在复消色差系统中也常与氟化钙组合。

极低双折射(本质上是各向同性的)

作为非晶态材料,熔融石英没有晶体结构带来的固有双折射(不同于天然石英晶体)。

残余应力引起的双折射可以控制到非常低的水平(< 5 nm/cm 或更低)。

这对于偏振光学系统、干涉测量、光刻等对偏振态敏感的应用至关重要。

高激光损伤阈值

由于其宽带隙(约 8.9 eV)、高纯度、高均匀性和低吸收,熔融石英能够承受极高功率密度的激光辐照(尤其是脉冲激光),而不易发生损伤。

是高功率激光系统(如激光聚变、工业激光加工、科研激光器) 中光学元件(窗口、透镜、反射镜基底、激光棒)的必备材料。

优异的抗辐射性(耐辐照)

在高能辐射(如伽马射线、X射线、电子束)照射下,其透光性能的退化(变暗)远小于普通光学玻璃。

适用于太空光学系统(卫星镜头、窗口)、核设施、粒子加速器等辐射环境中的光学元件。

低荧光/发光背景

超高纯度的熔融石英本身的自发荧光非常微弱。

在需要极低背景噪声的应用中非常重要,如荧光显微镜、拉曼光谱仪、高灵敏度探测器窗口。

优异的表面质量

硬度高(莫氏硬度约 5.5-6.5),能够被抛光到原子级光滑度(表面粗糙度 RMS < 1 nm)。

极低的表面粗糙度意味着极低的散射损耗,这对于高功率激光光学、低损耗反射镜基底、精密光学至关重要。

标签: 熔融石英

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