在光學(xué)加工鍍膜中，石英玻璃作為各類(lèi)高端光學(xué)鏡片的基底，其遍布應(yīng)用從半導(dǎo)體光刻機(jī)的深紫外鏡頭，到醫(yī)用內(nèi)窺鏡的保護(hù)窗，再到高功率激光器的輸出窗口，石英玻璃其寬波段透過(guò)性、極低的熱膨脹和優(yōu)異的化學(xué)穩(wěn)定性，成為光學(xué)設(shè)計(jì)最可靠的基底材料之一。

（石英玻璃雙面增透）

然而，石英玻璃的光學(xué)加工并非易事。它的硬度高、脆性大，傳統(tǒng)工藝效率偏低；某些加工方法（如單點(diǎn)金剛石車(chē)削）甚至完全不適用。如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，將石英玻璃加工成符合要求的光學(xué)元件，并在其表面鍍上功能薄膜，是光學(xué)制造領(lǐng)域的核心課題。下面我們將從科普的角度，帶大家從石英玻璃的成分到光學(xué)加工及應(yīng)用，為大家做一個(gè)全面的簡(jiǎn)單認(rèn)識(shí)，

（派大莘攝）

一、石英玻璃是什么？

石英玻璃的化學(xué)成分很簡(jiǎn)單——二氧化硅（SiO?），但它不是晶體狀態(tài)（如水晶），而是非晶態(tài)的無(wú)定形結(jié)構(gòu)。這種無(wú)序的硅-氧網(wǎng)絡(luò)賦予了它一系列獨(dú)特性質(zhì)。

根據(jù)原料和制備方法的不同，石英玻璃主要分為兩類(lèi)：

1.天然石英玻璃：以天然水晶為原料，氫氧焰熔融制成。成本較低，但羥基（-OH）含量較高（約100-200ppm），在紅外2.73μm處有明顯的吸收峰。

2.合成石英玻璃：以四氯化硅（SiCl?）為原料，通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）制成。純度極高（99.9999%以上），羥基含量可低至1ppm以下，深紫外透過(guò)率遠(yuǎn)優(yōu)于天然石英。當(dāng)然，價(jià)格也更高。

下表匯總了石英玻璃的基本物理特性（常規(guī)批次數(shù)據(jù)）：

極低的熱膨脹系數(shù)意味著石英玻璃可以承受劇烈的溫度變化——從室溫直接插入1000°C的爐膛也不會(huì)炸裂。這一特性在高溫或高功率光學(xué)系統(tǒng)中極為寶貴。

（石英玻璃曲線(xiàn)圖）

二、石英玻璃的光學(xué)特點(diǎn)

高透光，寬光譜：石英玻璃的透過(guò)范圍可以從深紫外（約200nm）一直延伸到中紅外（約3.5μm）。當(dāng)然，具體數(shù)值取決于材料純度和羥基含量。常規(guī)合成石英玻璃（10mm厚，未鍍膜）的透過(guò)率如下：

【注】高純度合成石英（如專(zhuān)為光刻設(shè)計(jì)的牌號(hào)）在193nm處透過(guò)率可達(dá)99%以上，但此類(lèi)材料并非通用批次，成本是普通石英的5-10倍。

折射率與色散：石英玻璃屬于低色散材料，阿貝數(shù)約為67.8。在可見(jiàn)光波段的主折射率為1.4585（d線(xiàn)，587.6nm）。對(duì)于紫外應(yīng)用，365nm（i線(xiàn)）處的折射率約為1.4745。

激光損傷閾值：在常規(guī)加工和鍍膜條件下，石英玻璃基片（未鍍膜）在1064nm、10ns脈沖激光下的損傷閾值約為5-10J/cm2。鍍制增透膜后略有下降，但通過(guò)優(yōu)化工藝仍可維持在相近水平。

【注】經(jīng)過(guò)超精密拋光并采用離子束濺射鍍膜后，損傷閾值可提升至30-50J/cm2，但屬于專(zhuān)業(yè)激光光學(xué)廠(chǎng)商的定制能力，不適用于常規(guī)批量生產(chǎn)。

（JGS1/2/3三種石英玻璃透過(guò)率范圍圖）

三、為什么石英玻璃適合做光學(xué)鍍膜的基底？

在石英玻璃表面鍍制光學(xué)薄膜（增透膜、反射膜、濾光膜等），可以充分發(fā)揮其基底優(yōu)勢(shì)。這些優(yōu)勢(shì)在常規(guī)鍍膜工藝（如電子束蒸發(fā)+離子輔助沉積）中就能體現(xiàn)：

1.膜層附著力強(qiáng)。石英玻璃表面的硅羥基（Si-OH）與常見(jiàn)的氧化物薄膜材料（如SiO?、TiO?、Ta?O?）能形成化學(xué)鍵合，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)清洗后，鍍層通過(guò)膠帶測(cè)試無(wú)脫落是常規(guī)水平。

2.熱應(yīng)力匹配良好。石英玻璃的熱膨脹系數(shù)（0.55×10??/K）與二氧化硅薄膜幾乎一致，與其他常用膜層材料也相近。這意味著在-40°C至+200°C的工作溫度范圍內(nèi)，膜層不會(huì)因熱脹冷縮而開(kāi)裂。

3.基底表面可拋光至足夠光滑。常規(guī)光學(xué)拋光后，石英玻璃的表面粗糙度（RMS）可達(dá)0.5-1nm。這為低散射損耗的鍍膜奠定了基礎(chǔ)?！咀ⅰ咳粜枰蛹?jí)光滑表面（<0.1nmRMS），則需要磁流變拋光或離子束修形等后續(xù)工序。

4.耐鍍膜高溫。電子束蒸發(fā)鍍膜時(shí)，基片通常加熱到200-300°C，石英玻璃完全承受，不會(huì)變形或產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。

（圖源網(wǎng)絡(luò)-侵刪）

四、哪些加工方法不適用于石英玻璃？

在光學(xué)加工中，有些方法對(duì)普通光學(xué)玻璃（如K9、BK7）很好用，但用在石英玻璃上就會(huì)出問(wèn)題。以下是常規(guī)工廠(chǎng)應(yīng)特別注意的“雷區(qū)”：

1.單點(diǎn)金剛石車(chē)削：完全不適用。石英玻璃是脆性材料，車(chē)削時(shí)的局部應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致崩邊、微裂紋，無(wú)法得到光學(xué)級(jí)表面。即便是超聲輔助切削，也仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。

2.常規(guī)CO?激光拋光：很少用于精密光學(xué)件。激光局部加熱易產(chǎn)生熱應(yīng)力，導(dǎo)致微裂紋甚至炸裂，且面形精度難以控制。該技術(shù)主要用于非光學(xué)表面的粗效平滑。

3.純氫氟酸長(zhǎng)時(shí)間蝕刻：可用但要謹(jǐn)慎。氫氟酸蝕刻是各向同性的，會(huì)破壞尺寸精度，并使表面粗糙度增大（可升至10nm以上）。常規(guī)生產(chǎn)中，氫氟酸僅用于短時(shí)間的去毛刺或化學(xué)減薄，并嚴(yán)格計(jì)時(shí)。

4.高溫?zé)釅撼尚停翰贿m用于精密光學(xué)件。石英玻璃軟化點(diǎn)高達(dá)1680°C，在高溫下粘度仍然很高，難以精確填充模具；同時(shí)模具材料可能污染玻璃表面。

5.傳統(tǒng)散粒磨料研磨：雖然可用，但效率偏低。相比普通光學(xué)玻璃，石英玻璃的研磨去除率低30-50%，加工成本更高。

理解這些限制，可以避免選擇不切實(shí)際的加工路線(xiàn)。

（石英玻璃鍍膜濾光片）

五、鍍膜后的石英玻璃用在哪里？

石英玻璃鍍上不同的光學(xué)薄膜后，可以勝任各種應(yīng)用場(chǎng)景。以下按應(yīng)用領(lǐng)域分別介紹，并給出常規(guī)工廠(chǎng)可批量保證的加工參數(shù)。

1.紫外固化與半導(dǎo)體檢測(cè)：在365nm（i線(xiàn)）或405nm（h線(xiàn)）的紫外光學(xué)系統(tǒng)中，石英玻璃是首選的窗口和透鏡材料。典型的加工參數(shù)為：

面形精度：λ/4@633nm（干涉儀測(cè)量）

表面粗糙度：<1nmRMS

增透膜：?jiǎn)蚊媸Ｓ喾瓷渎?lt;0.5%@365nm（膜層材料Al?O?/SiO?或MgF?）

【注】深紫外（248nm、193nm）光刻級(jí)別應(yīng)用，需要合成石英基片+專(zhuān)用鍍膜工藝，常規(guī)光學(xué)工廠(chǎng)不具備，需尋找專(zhuān)業(yè)深紫外光學(xué)廠(chǎng)商。

2.可見(jiàn)光及近紅外光學(xué)系統(tǒng)

這是最通用的領(lǐng)域，涵蓋成像鏡頭、保護(hù)窗口、反射鏡等。加工參數(shù)如下：

面形精度：λ/4至λ/10@633nm（依元件尺寸和功能而定）

表面粗糙度：<1nmRMS

寬帶增透膜（400-700nm）：平均反射率<1%/面

介質(zhì)反射鏡（中心波長(zhǎng)可指定）：反射率>99%@45°入射角

3.高功率連續(xù)激光器

以1070nm光纖激光器的輸出窗口為例，常規(guī)水平為：

增透膜：剩余反射率<0.2%@1070nm

激光損傷閾值：>10J/cm2（10ns脈沖）或>1kW/cm2連續(xù)波

面形精度：λ/10@633nm

【注】對(duì)于超過(guò)30J/cm2脈沖或10kW連續(xù)波的高端激光器，需要采用離子束濺射鍍膜和超精密拋光基片，這超出了常規(guī)工廠(chǎng)的量產(chǎn)能力。

4.光通信窄帶濾光片（DWDM）

用于波分復(fù)用系統(tǒng)的薄膜濾光片，常規(guī)工廠(chǎng)可實(shí)現(xiàn)的指標(biāo)為：

中心波長(zhǎng)公差：±0.5nm

帶寬（半高寬）：1-2nm

峰值透過(guò)率：>95%

【注】信道間隔50GHz（中心波長(zhǎng)精度±0.05nm，帶寬0.4nm以下）的濾光片，需要專(zhuān)業(yè)光通信濾光片廠(chǎng)家制造，不屬通用光學(xué)加工范疇。

5.生物醫(yī)療儀器

在熒光顯微鏡、流式細(xì)胞儀、內(nèi)窺鏡等設(shè)備中，石英玻璃的化學(xué)惰性和生物相容性至關(guān)重要。常規(guī)加工要求：

表面粗糙度：<1nmRMS，且清洗后無(wú)顆粒殘留

耐濕熱滅菌：膜層經(jīng)121°C高壓蒸汽30分鐘不脫落

透過(guò)率：>90%@所需波段（通常為400-700nm或特定熒光波段）

6.空間光學(xué)（商業(yè)衛(wèi)星）

對(duì)于低軌道商業(yè)衛(wèi)星的光學(xué)載荷，石英玻璃鍍膜后需滿(mǎn)足：

寬溫工作：-40°C至+70°C無(wú)膜裂

抗輻射加硬膜：減少空間帶電粒子導(dǎo)致的透過(guò)率衰減

可選低吸水性膜層

【注】高軌道或長(zhǎng)壽命（10年以上）空間應(yīng)用需要額外的篩選、輻照測(cè)試和特殊封裝，不屬于常規(guī)加工批次。

六、高端工藝能達(dá)到什么水平？

下表列出了一些僅在專(zhuān)業(yè)細(xì)分領(lǐng)域或研發(fā)條件下才能達(dá)到的高端參數(shù)。這些非常規(guī)光學(xué)工廠(chǎng)的量產(chǎn)能力，僅供參考對(duì)比。

石英玻璃是一種性能優(yōu)越但加工門(mén)檻略高的光學(xué)材料。在常規(guī)加工條件下，通過(guò)傳統(tǒng)研磨、拋光和電子束蒸發(fā)鍍膜，完全可以制造出滿(mǎn)足絕大多數(shù)工業(yè)、醫(yī)療和科研需求的光學(xué)元件——面形精度λ/4～λ/10、粗糙度0.5-1nmRMS、增透膜反射率<0.5%/面、激光損傷閾值約10J/cm2。

對(duì)于追求原子級(jí)光滑表面、極限激光耐受或深紫外高效透過(guò)的高端應(yīng)用，則需要采用磁流變拋光、離子束修形、離子束濺射鍍膜等專(zhuān)門(mén)工藝，并承擔(dān)更高的成本與更長(zhǎng)的周期。