石英玻璃的几类：电熔、火焰熔融与合成石英的杂质和羟基

熔融石英按熔制方式分为电熔、火焰熔融与合成几类，羟基含量从几 ppm 到上千 ppm，杂质与气泡等级也不同。本文说明羟基在 2.73、1.38 与 0.94 μm 的吸收强度，算出各类石英的透射差异，并给出按读数波长选类型的办法。

“熔融石英”并不是一种材料。同样是二氧化硅玻璃，用天然水晶粉电熔、用氢氧焰熔、或用四氯化硅气相合成，杂质、气泡和羟基含量可以差几个数量级。编码器的 LED 多在 850–940 nm，羟基对它们有没有影响？要不要为此多花钱选合成石英？这个问题要把羟基的吸收带算出来才有答案。

几类石英从哪来

常见的分类是 I–IV 型，各厂的命名并不统一，下面以熔制方式区分（图2）：电熔石英用天然水晶粉在电加热下熔融，羟基很低，但保留天然原料的金属杂质，一般气泡和条纹较多；火焰熔融同样用天然粉，在氢氧焰中熔制，羟基升到几百 ppm；合成石英由四氯化硅在氢氧焰中水解沉积，金属杂质低于约 1 ppm，气泡与条纹少，但羟基可达上千 ppm；改用等离子或无水火焰的低羟基合成石英，则兼有高纯和低羟基。

羟基吸收带：位置与强度

Si–OH 的伸缩振动在 2.73 μm 有基频吸收，在 1.38 μm、0.94 μm 附近有一级、二级倍频，另外 2.21 μm 和 1.24 μm 有组合带。吸收系数随羟基含量近似线性：

α(λ) = k(λ) · c_OH

其中 c_OH 为羟基质量含量（ppm），k 为单位含量的吸收系数。示例取 k（cm⁻¹/ppm，自然对数）：2.73 μm 为 2.3×10⁻²，1.38 μm 为 3×10⁻⁴，0.94 μm 为 5×10⁻⁶。2.73 μm 的值由常用的摩尔吸收系数约 77.5 L/(mol·cm) 换算得到，反过来也是测羟基的方法：c_OH ≈ 100 × A / d，A 为扣除基线的常用对数吸光度，d 为厚度（cm）。1.38 与 0.94 μm 的系数不同文献的 ppm 口径（质量或摩尔）不一，示例值有 2–3 倍不确定度，只用来判断量级。

取 10 mm 厚、含两面反射（折射率约 1.45，菲涅耳透射约 93.4%），三类典型羟基含量下带心处的透射率为：

吸收 10% 所需的羟基含量（10 mm 厚）为：2.73 μm 约 4.6 ppm，1.38 μm 约 350 ppm，0.94 μm 约 2×10⁴ ppm，远超任何实际石英（图3）。所以，850 nm 与 940 nm 的 LED 不受羟基影响，选哪一类都只差在反射损失上；2.73 μm 带几个 ppm 就能测到，3.5 μm 以内的红外要用低羟基。

紫外、气泡与别的差异

紫外。 合成石英的深紫外吸收边可到约 160–170 nm，天然粉熔制的约 180–200 nm，并常在 245 nm 附近有杂质吸收带，数值随批次差别大。365 nm、405 nm 的曝光与紫外固化，几类都够用；用 254 nm 以下紫外清洗或曝光时，合成石英更有利。

气泡与条纹。 电熔石英中微气泡较多，镀铬刻线时气泡可能造成针孔和局部散射，对码盘线条质量有影响；合成石英的气泡与条纹最少，光学均匀性也更好，价格也偏高。

高温行为。 羟基较多的类型粘度略低，高温稳定性稍差，具体以厂家数据为准；这几类的膨胀系数都在约 0.5×10⁻⁶/K 附近，没有明显区别。

按波长选类型

工程要点

• 先问读数波长：850–940 nm 的 LED 不受羟基影响，不必为羟基多付钱。
• 光路里有 1.38 μm 或 2.73 μm 附近的波长时，要用低羟基类型，并要求供应商给出羟基含量。
• 要求写明羟基范围、气泡等级和条纹等级，三者比“石英”二字更能决定性能。
• 用于深紫外清洗或曝光的石英，选合成类型，并验证 254 nm 以下的透过率。
• 电熔石英要检查气泡与杂质，抽检基片的针孔率后再批量镀铬。
• 羟基用红外光谱测：厚度取 10 mm 以上，低羟基样品才测得出来。

小结

石英玻璃的羟基从几 ppm 到上千 ppm，在 2.73 μm 的基频吸收几个 ppm 就可见，在 1.38 μm 要数百 ppm，在 0.94 μm 几乎不可见。因此 LED 读数的码盘不必为羟基选合成石英，应按气泡、杂质和紫外需要选类型；红外与深紫外应用才需要把羟基写进采购规格。

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