石英玻璃的幾類：電熔、火焰熔融與合成石英的雜質和羥基

熔融石英按熔制方式分為電熔、火焰熔融與合成幾類，羥基含量從幾 ppm 到上千 ppm，雜質與氣泡等級也不同。本文說明羥基在 2.73、1.38 與 0.94 μm 的吸收強度，算出各類石英的透射差異，並給出按讀數波長選型別的辦法。

“熔融石英”並不是一種材料。同樣是二氧化矽玻璃，用天然水晶粉電熔、用氫氧焰熔、或用四氯化矽氣相合成，雜質、氣泡和羥基含量可以差幾個數量級。編碼器的 LED 多在 850–940 nm，羥基對它們有沒有影響？要不要為此多花錢選合成石英？這個問題要把羥基的吸收帶算出來才有答案。

幾類石英從哪來

常見的分類是 I–IV 型，各廠的命名並不統一，下面以熔制方式區分（圖2）：電熔石英用天然水晶粉在電加熱下熔融，羥基很低，但保留天然原料的金屬雜質，一般氣泡和條紋較多；火焰熔融同樣用天然粉，在氫氧焰中熔制，羥基升到幾百 ppm；合成石英由四氯化矽在氫氧焰中水解沉積，金屬雜質低於約 1 ppm，氣泡與條紋少，但羥基可達上千 ppm；改用等離子或無水火焰的低羥基合成石英，則兼有高純和低羥基。

羥基吸收帶：位置與強度

Si–OH 的伸縮振動在 2.73 μm 有基頻吸收，在 1.38 μm、0.94 μm 附近有一級、二級倍頻，另外 2.21 μm 和 1.24 μm 有組合帶。吸收係數隨羥基含量近似線性：

α(λ) = k(λ) · c_OH

其中 c_OH 為羥基質量含量（ppm），k 為單位含量的吸收係數。示例取 k（cm⁻¹/ppm，自然對數）：2.73 μm 為 2.3×10⁻²，1.38 μm 為 3×10⁻⁴，0.94 μm 為 5×10⁻⁶。2.73 μm 的值由常用的摩爾吸收係數約 77.5 L/(mol·cm) 換算得到，反過來也是測羥基的方法：c_OH ≈ 100 × A / d，A 為扣除基線的常用對數吸光度，d 為厚度（cm）。1.38 與 0.94 μm 的係數不同文獻的 ppm 口徑（質量或摩爾）不一，示例值有 2–3 倍不確定度，只用來判斷量級。

取 10 mm 厚、含兩面反射（折射率約 1.45，菲涅耳透射約 93.4%），三類典型羥基含量下帶心處的透射率為：

吸收 10% 所需的羥基含量（10 mm 厚）為：2.73 μm 約 4.6 ppm，1.38 μm 約 350 ppm，0.94 μm 約 2×10⁴ ppm，遠超任何實際石英（圖3）。所以，850 nm 與 940 nm 的 LED 不受羥基影響，選哪一類都只差在反射損失上；2.73 μm 帶幾個 ppm 就能測到，3.5 μm 以內的紅外要用低羥基。

紫外、氣泡與別的差異

紫外。 合成石英的深紫外吸收邊可到約 160–170 nm，天然粉熔制的約 180–200 nm，並常在 245 nm 附近有雜質吸收帶，數值隨批次差別大。365 nm、405 nm 的曝光與紫外固化，幾類都夠用；用 254 nm 以下紫外清洗或曝光時，合成石英更有利。

氣泡與條紋。 電熔石英中微氣泡較多，鍍鉻刻線時氣泡可能造成針孔和區域性散射，對碼盤線條質量有影響；合成石英的氣泡與條紋最少，光學均勻性也更好，價格也偏高。

高溫行為。 羥基較多的型別粘度略低，高溫穩定性稍差，具體以廠家資料為準；這幾類的膨脹係數都在約 0.5×10⁻⁶/K 附近，沒有明顯區別。

按波長選型別

工程要點

• 先問讀數波長：850–940 nm 的 LED 不受羥基影響，不必為羥基多付錢。
• 光路里有 1.38 μm 或 2.73 μm 附近的波長時，要用低羥基型別，並要求供應商給出羥基含量。
• 要求寫明羥基範圍、氣泡等級和條紋等級，三者比“石英”二字更能決定效能。
• 用於深紫外清洗或曝光的石英，選合成型別，並驗證 254 nm 以下的穿透率。
• 電熔石英要檢查氣泡與雜質，抽檢基片的針孔率後再批次鍍鉻。
• 羥基用紅外光譜測：厚度取 10 mm 以上，低羥基樣品才測得出來。

小結

石英玻璃的羥基從幾 ppm 到上千 ppm，在 2.73 μm 的基頻吸收幾個 ppm 就可見，在 1.38 μm 要數百 ppm，在 0.94 μm 幾乎不可見。因此 LED 讀數的碼盤不必為羥基選合成石英，應按氣泡、雜質和紫外需要選型別；紅外與深紫外應用才需要把羥基寫進採購規格。

延伸閱讀：ENC7 編碼器碼盤生產廠家（中文首頁） · 碼盤技術文庫

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