Kvarčno steklo je sestavljeno izključno iz silicijevega dioksida, trenutno splošno sprejeti strukturni model pa je model neprekinjenega naključnega omrežja (CRN). V tem modelu atomi Si in O tvorijo skoraj popolne tri-dimenzionalne tetraedrske strukture Si-O. Shematski diagram, ki prikazuje planarno mikrostrukturo kremenčevega stekla visoke -čistosti in njegovo prostorsko razporeditev, je prikazan na sliki. Kemične vezi Si-O imajo visoko vezno energijo in kratko dolžino vezi, kar ima za posledico zelo kompaktno prostorsko strukturo. Zaradi celovitosti in tesnosti svoje mikroskopske mrežne strukture ima kremenčevo steklo visoke-čistosti vrsto odličnih in edinstvenih celovitih lastnosti, kot so vrhunska optična prepustnost, odpornost na sevanje, toplotna stabilnost in kemična stabilnost.
Zgodovina priprave kremenčevega stekla sega v leto 1839, ko je Francoz Gandin uspešno izdelal neprozoren kos kremenčevega stekla s taljenjem kremenovega peska s plamenom vodika-kisika. Od takrat se države po vsem svetu aktivno ukvarjajo z raziskavami in razvojem tehnologij izdelave kremenčevega stekla. Pojavile so se nove proizvodne metode, proizvodni procesi so se nenehno izboljševali in industrija je doživela hitro rast.
Metoda rafiniranja s plinom vključuje uporabo plamena vodika-kisika za taljenje naravnega kremena in nato postopno odlaganje staljenega materiala na površino tarče iz kremenčevega stekla, da dobimo ingot iz kremenčevega stekla. Surovine tako za metodo električnega taljenja kot za metodo plinskega rafiniranja so kremenčev pesek. Kremenčevo steklo visoke-čistosti ima zelo stroge zahteve za kremenčev pesek, vendar so svetovni viri-kremenove rude visoke čistosti večinoma v državah, kot so Združene države, Norveška in Avstralija. Kitajska je velika porabnica kremenčevega peska visoke-čistosti, vendar so viri kremenčeve rude-visoke čistosti v glavnem odvisni od uvoza. Visoka stopnja odvisnosti od uvoza surovin lahko vpliva na stabilnost industrijskega razvoja. Zato je razvoj postopka priprave za sintetično kremenčevo steklo še posebej pomemben.
Postopek priprave sintetičnega kremenčevega stekla vključuje predvsem kemično nanašanje s paro (Chemical Vapor Deposition, CVD), kemično plazemsko nanašanje s paro (PCVD), indirektno metodo kemičnega nanašanja s paro in metodo sol-gela.
Kremenčevo steklo lahko glede na prosojnost razdelimo tudi na motno kremenčevo steklo in prozorno kremenčevo steklo:
Motno kremenčevo steklo vsebuje veliko število drobnih mehurčkov in drugih razpršenih delcev, ki so neprozorni ali pol{0}}neprozorni. Uporablja se lahko za izdelavo sinteznih reaktorjev, optičnega stekla in talilnih lončkov za mono-kristalni silicij.
Prozorno kremenčevo steklo vsebuje majhno število točk sipanja mehurčkov, ki so običajno izražene v ppm. Pogoji priprave za prozorno kremenčevo steklo so strožji od tistih za neprozorno kremenčevo steklo in ima širši obseg uporabe. Je pomemben material za pripravo visoko-kakovostnih optičnih komponent.
Delovanje kremenčevega stekla je tesno povezano z njegovo kemično čistostjo, na katero vplivajo surovine in postopek priprave. Pogoste napake v kremenčevem steklu lahko razdelimo v dve kategoriji: strukturne napake in makroskopske napake. Kot je prikazano na sliki, med procesom rasti naravnih kremenčevih kristalov neizogibno nastanejo različne napake. V postopku priprave steklenih izdelkov lahko zaradi omejitev postopka priprave in delovnega okolja pride do vnosa različnih nečistoč, lahko nastanejo preostale napetosti in tako lahko pride do strukturnih in makroskopskih napak. Strukturne napake kremenčevega stekla nastanejo zaradi vnosa nečistoč v atomsko mrežo Si-O, v glavnem vključno s kovinskimi nečistočami in hidroksilnimi skupinami: kovinske nečistoče večinoma izvirajo iz kremenčevega peska, kovinske nečistoče, kot sta Fe in Cr, pa lahko povzročijo oslabitev absorpcije. Hidroksilne skupine v kremenčevem steklu običajno izvirajo iz plamenov vodika-kisika. Hidroksilne skupine bodo vplivale na stabilnost vezi Si-O, zmanjšale kemijsko stabilnost kremenčevega stekla, spodbudile pojav kristalizacijskih pojavov, hkrati pa bodo hidroksilne skupine povečale optično izgubo v bližnjem-infrardečem in srednje-infrardečem območju valovne dolžine. Pasovi absorpcije vibracij Si-OH vezi pri določenih valovnih dolžinah, kot so 2,72, 1,39 in 0,9 μm, bodo vplivali na uporabo kremenčevega stekla na področju optičnih vlaken in laserjev.
Makroskopske napake kremenčevega stekla vključujejo predvsem mehurčke, vključke, trakove in razpoke itd. Te napake se običajno pojavijo zaradi nezadostne čistosti surovin ali nepravilnega postopka priprave. Viskoznost kremena v staljenem stanju je visoka in notranji mehurčki se težko izognejo sami. Če postopek taljenja ni strog, lahko pride tudi do pojava, ko se notranje surovine niso popolnoma stopile, preden jih zajame že staljeni kremen na površini. Hkrati je kremenčevo steklo slab toplotni prevodnik. Med postopkom hlajenja so temperaturne spremembe na površini in v notranjosti nekonsistentne, kar tvori velik temperaturni gradient, ki ustvarja toplotno obremenitev, čezmerna toplotna obremenitev pa lahko povzroči celo lokalne razpoke. Zmanjšanje različnih napak znotraj kremenčevega stekla in zagotavljanje njegovih odličnih optičnih lastnosti je ključnega pomena.
V procesu priprave kremenčevega stekla z indirektno metodo CVD se na eni strani uporabljajo -silicij-vsebujoče spojine visoke-čistosti za zmanjšanje vsebnosti kovinskih nečistoč. Po drugi strani se sintranje uporablja za dehidroksilacijo, s čimer se učinkovito zmanjša koncentracija hidroksila kremenčevega stekla, zaradi česar je boljše pri prenosu globokega ultravijoličnega sevanja, z višjim pragom za odpornost proti laserskim poškodbam in dodatno izboljša njegove optične lastnosti.
Ko pa kremenčevo steklo segrejemo pri visokih temperaturah in nato ohladimo na sobno temperaturo, nastane toplotna napetost, neenakomerna notranja napetost pa bo pomembno vplivala na optične lastnosti izdelka. Neenakomerna porazdelitev napetosti bo povzročila spremembo lomnega količnika različnih območij kremenčevega stekla, kar bo povzročilo spremembe v optični poti in jakosti svetlobe, ki prehaja skozi kremenčevo steklo, kar bo povzročilo neenakomeren lom in sipanje ter zmanjšalo optično enotnost izdelka. Hkrati bo učinek dvojnega loma, ki ga povzroča-obremenitev, povzročil popačenje valovne fronte svetlobnega žarka. V visokozmogljivih laserskih napravah bo popačenje valovne fronte neposredno vplivalo na stabilnost laserskega žarka, notranja napetost pa lahko privede tudi do zmanjšanja odpornosti kvarčnega stekla proti laserskim poškodbam, kar zmanjša njegovo življenjsko dobo in zanesljivost.
Pri optičnih valovodnih napravah, kot so niz valovodnih rešetk, laserji, nastavljivi filtri itd., je dvolomnost napetosti prav tako težava, ki je ni mogoče prezreti. Zaradi napetostnega dvolomnega učinka se spremenijo značilnosti širjenja svetlobe, kar povzroči polarizacijski premik in od polarizacije-odvisno izgubo. Napeto območje lahko celo spremeni obliko načina optične valovodne naprave, kar resno vpliva na delovanje in stabilnost naprave.
Z nadzorovanjem napetosti v kremenčevem steklu se lahko naše podjetje izogne nastajanju resnih napak, kot je razpokanje, s čimer zagotovi njegove odlične optične lastnosti, s čimer izboljša izkoristek in zanesljivost kremenčevega stekla ter mu omogoči, da izpolnjuje potrebe različnih optičnih aplikacij in ima pomembno vlogo v industrijskih aplikacijah
