Glas und Substrate
Arten von Quarzglas: elektrisch geschmolzen, flammengeschmolzen und synthetisch – Verunreinigungen und Hydroxyl
Quarzglas wird nach Schmelzweg in elektrisch geschmolzene, flammengeschmolzene und synthetische Typen eingeteilt; Hydroxyl reicht von wenigen ppm bis über tausend ppm, Verunreinigungs- und Blasengrade unterscheiden sich. Der Artikel erklärt die OH-Absorptionsstärke bei 2,73, 1,38 und 0,94 μm, berechnet Transmissionsunterschiede und gibt eine Auswahl nach Abtastwellenlänge.
„Quarzglas“ ist kein einheitlicher Werkstoff. Dasselbe Siliciumdioxidglas, elektrisch aus Naturkristallpulver geschmolzen, in Knallgasflamme geschmolzen oder aus Siliciumtetrachlorid dampfsynthetisiert, kann sich in Verunreinigungen, Blasen und Hydroxyl um Größenordnungen unterscheiden. Encoder-LEDs liegen meist bei 850–940 nm – beeinflusst Hydroxyl sie? Lohnt sich synthetischer Quarz deshalb? Die Antwort erfordert die Hydroxylabsorptionsbanden.
Woher die Typen kommen
Üblich ist die Einteilung in Typen I–IV; Herstellernamen sind nicht einheitlich. Hier nach Schmelzweg (Abb. 2): elektrisch geschmolzener Quarz aus Naturkristallpulver unter elektrischer Heizung – Hydroxyl sehr niedrig, aber Metallverunreinigungen des Naturrohstoffs bleiben, Blasen und Schlieren meist zahlreicher; Flammenschmelze ebenfalls aus Naturpulver in Knallgasflamme, Hydroxyl auf hunderte ppm; synthetischer Quarz durch Hydrolyse von Siliciumtetrachlorid in Knallgasflamme – Metallverunreinigungen unter etwa 1 ppm, wenige Blasen und Schlieren, Hydroxyl aber bis über tausend ppm; niedrig-hydroxylische Synthesegrade mit Plasma oder wasserfreier Flamme verbinden hohe Reinheit mit niedrigem Hydroxyl.
Hydroxylabsorptionsbanden: Lage und Stärke
Die Si–OH-Streckschwingung hat eine Grundabsorption bei 2,73 μm und erste bzw. zweite Obertöne nahe 1,38 μm und 0,94 μm; Kombinationsbanden liegen bei 2,21 μm und 1,24 μm. Der Absorptionskoeffizient skaliert näherungsweise linear mit dem Hydroxylgehalt:
α(λ) = k(λ) · c_OH
wobei c_OH der Hydroxyl-Massengehalt (ppm) und k der Absorptionskoeffizient je Gehaltseinheit ist. Beispielwerte für k (cm⁻¹/ppm, natürlicher Logarithmus): 2,73 μm 2,3×10⁻², 1,38 μm 3×10⁻⁴, 0,94 μm 5×10⁻⁶. Der 2,73-μm-Wert folgt aus dem üblichen molaren Absorptionskoeffizienten von etwa 77,5 L/(mol·cm) und ist zugleich die Hydroxylbestimmung: c_OH ≈ 100 × A / d, A die dekadische Absorbanz nach Basislinienabzug, d die Dicke (cm). Die Koeffizienten bei 1,38 und 0,94 μm differieren in der Literatur nach ppm-Basis (Masse oder Mol) und tragen im Beispiel eine Faktor-2–3-Unsicherheit; nur zur Größenordnung nutzen.
Für 10 mm Dicke einschließlich Zweiflächenreflexion (Brechzahl etwa 1,45, Fresnel-Transmission etwa 93,4 %) beträgt die Bandmitten-Transmission bei drei typischen Hydroxylgehalten:
| Typ (Hydroxyl) | 2,73 μm | 1,38 μm | 0,94 μm |
|---|---|---|---|
| Elektrisch geschmolzen (5 ppm) | 83 % | 93 % | 93 % |
| Flammengeschmolzen (250 ppm) | 0,3 % | 87 % | 93 % |
| Synthetisch (1000 ppm) | < 0,1 % | 69 % | 93 % |
Hydroxyl für 10 % Absorption (10 mm dick): etwa 4,6 ppm bei 2,73 μm, etwa 350 ppm bei 1,38 μm, etwa 2×10⁴ ppm bei 0,94 μm – weit über jedem praktischen Quarz (Abb. 3). 850-nm- und 940-nm-LEDs sind daher vom Hydroxyl unbeeinflusst; die Typenwahl unterscheidet sich nur in Reflexionsverlusten. Wenige ppm zeigen sich schon in der 2,73-μm-Bande; Infrarot innerhalb 3,5 μm braucht niedriges Hydroxyl.
Ultraviolett, Blasen und weitere Unterschiede
Ultraviolett. Synthetischer Quarz kann eine Tief-UV-Absorptionskante nahe 160–170 nm haben; Naturpulverschmelzen liegen nahe 180–200 nm und zeigen oft eine Verunreinigungsbande um 245 nm, mit großer Chargenstreuung. Belichtung und UV-Aushärtung bei 365 nm und 405 nm sind für alle Typen ausreichend; für Reinigung oder Belichtung unter 254 nm ist synthetischer Quarz günstiger.
Blasen und Schlieren. Elektrisch geschmolzener Quarz hat mehr Mikroblasen; beim Verchromen können sie Pinholes und lokale Streuung verursachen und die Linienqualität von Codeplatten beeinflussen; synthetischer Quarz hat die wenigsten Blasen und Schlieren, bessere optische Homogenität und einen höheren Preis.
Hochtemperaturverhalten. Hydroxylreichere Typen haben etwas niedrigere Viskosität und etwas schlechtere Hochtemperaturstabilität – Herstellerdaten sind maßgebend; der Ausdehnungskoeffizient aller dieser Typen liegt nahe etwa 0,5×10⁻⁶/K ohne klaren Unterschied.
Auswahl nach Wellenlänge
| Arbeitsbedingung | Bevorzugung |
|---|---|
| 850-, 880-, 940-nm-LED; sichtbare Abtastung | Hydroxyl irrelevant; nach Blasen, Homogenität und Kosten wählen |
| 365-, 405-nm-Belichtung und UV-Aushärtung | Beliebiger Typ |
| Reinigung und Belichtung unter 254 nm | Synthetischer Quarz |
| 1,31–1,55-μm-Quellen, längerer Weg | Niedriges Hydroxyl; 1,38-μm-Bande meiden |
| 2–3,5 μm Infrarot | Niedriges Hydroxyl (IR-Qualität) |
Technische Hinweise
- Zuerst die Abtastwellenlänge fragen: 850–940-nm-LEDs sind vom Hydroxyl unbeeinflusst – nicht extra für Hydroxyl bezahlen.
- Liegen Wellenlängen nahe 1,38 μm oder 2,73 μm im Pfad, niedrig-hydroxylischen Typ wählen und Hydroxylgehalt vom Lieferanten fordern.
- Hydroxylbereich, Blasengrad und Schlierengrad spezifizieren; diese drei entscheiden die Leistung mehr als das Wort „Quarz“.
- Für Tief-UV-Reinigung oder -Belichtung synthetisch wählen und Transmission unter 254 nm prüfen.
- Bei elektrisch geschmolzenem Quarz Blasen und Verunreinigungen prüfen und die Pinhole-Rate an Rohlingen vor Großserien-Verchromung stichprobenartig messen.
- Hydroxyl per Infrarotspektroskopie bestimmen: Dicke 10 mm oder mehr, damit niedrig-hydroxylische Proben messbar sind.
Zusammenfassung
Hydroxyl in Quarzglas reicht von wenigen ppm bis über tausend ppm: wenige ppm zeigen sich schon in der 2,73-μm-Grundbande, bei 1,38 μm braucht es hunderte ppm, bei 0,94 μm ist es praktisch unsichtbar. LED-abgetastete Codeplatten brauchen daher keinen synthetischen Quarz wegen Hydroxyl; nach Blasen, Verunreinigungen und UV-Bedarf wählen. Infrarot- und Tief-UV-Anwendungen sind der Ort, Hydroxyl in die Beschaffungsspezifikation zu schreiben.
Übersetzung des chinesischen Originalartikels (0570). ENC7 – Hersteller von Encoderscheiben (Anfrage) · Fachartikel · https://enc7.com
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