在高功率激光、紫外光刻、空间光学这些”高端玩家”的领域里，有一种玻璃材料堪称”全能选手”——它能从深紫外一路透明到近红外，热膨胀系数低到几乎可以忽略，还能扛住超强的激光轰击。它就是熔融石英玻璃，也叫熔石英、熔融二氧化硅。
为什么高功率光纤激光器的保护窗口、光刻机的投影物镜、卫星上的光学望远镜，都不约而同地选择了熔融石英？它和普通的 BK7 光学玻璃到底有什么本质区别？国产的 JGS1、JGS2、JGS3 又分别对应什么等级？今天这篇文章，我们把熔融石英彻底讲清楚。
参考来源
本文目录
- 一、核心概念：什么是熔融石英玻璃？
- 二、工作原理：为什么熔融石英性能这么特别？
- 三、关键参数：熔融石英的核心性能指标
- 四、分类类型：紫外级vs红外级、国产牌号大全
- 五、应用场景：熔融石英都用在哪里？
- 六、常见误区：关于熔融石英的6个认知误区
一、核心概念：什么是熔融石英玻璃？
熔融石英玻璃（Fused Silica），也叫熔石英、熔融二氧化硅，是一种以高纯度二氧化硅（SiO₂）为单一成分的特种玻璃。它不是普通的玻璃——普通玻璃里有钠、钾、钙、硼等多种成分，而熔融石英几乎就是”纯”的 SiO₂ 非晶体。
熔融石英是怎么来的呢？简单说，就是把超高纯度的石英晶体（水晶或合成硅原料）加热到摄氏 2000 度左右，让它熔化，然后迅速冷却——因为冷却速度很快，原子来不及排列成规整的晶体结构，就”凝固”成了玻璃态。
打个比方：普通光学玻璃像一锅”八宝粥”，里面什么料都有；熔融石英就像”白米饭”，成分极其单一——就是 SiO₂。
熔融石英的核心优势可以概括为”三高”：
- 高纯：杂质含量极低（部分合成熔融石英金属杂质在 ppb 级别）
- 高透过：从深紫外到近红外都有极佳的透过率
- 高稳定性：热膨胀系数极低，化学稳定性极强，激光损伤阈值高
正是因为这些特性，熔融石英成为了高功率激光、紫外光学、半导体光刻、空间光学等高端领域不可或缺的核心材料。
二、工作原理：为什么熔融石英性能这么特别？
1. 从分子结构说起
熔融石英的基本结构单元是 SiO₄ 四面体——一个硅原子在中心，四个氧原子在四个顶点。这些四面体通过共用顶点氧原子互相连接，形成一个三维的无规网络。
和石英晶体（水晶）相比，熔融石英的原子排列是短程有序、长程无序的：
- 短程有序：每个硅原子周围总是四个氧原子，构成四面体（跟晶体一样）
- 长程无序：四面体之间的连接角度、取向是随机的，没有周期性（这就是玻璃态和晶态的区别）
正是这种纯 SiO₂ 的无规网络结构赋予了熔融石英独特的性能：成分单一、杂质少，所以光吸收和散射都很低；Si-O 键很强，所以材料硬度高、化学稳定性好；网络结构的”柔性”让温度变化时体积变化很小。
2. 与普通光学玻璃（BK7/K9）的区别
| 特性 | 熔融石英 | BK7/K9 硼硅酸盐玻璃 |
|---|---|---|
| 主要成分 | 纯 SiO₂（>99.9%） | SiO₂ + B₂O₃ + 碱金属氧化物等 |
| 折射率 nd | ~1.4585 | ~1.5168 |
| 阿贝数 Vd | ~67.7 | ~64.2 |
| 紫外透过下限 | ~180nm（合成级） | ~350nm |
| 热膨胀系数 | 0.55×10⁻⁶/℃ | 7.1×10⁻⁶/℃ |
| 激光损伤阈值 | 高（~10 J/cm² @1064nm, 10ns） | 中等（~3-5 J/cm²） |
| 软化点 | ~1600℃ | ~550℃ |
| 价格 | 较高 | 较低 |
最显著的区别有两个：一是紫外透过范围（熔融石英能用到深紫外，BK7到350nm就截止了）；二是热膨胀系数（熔融石英比BK7小一个数量级以上，温度变化时形变极小）。
3. 紫外熔融石英 vs 红外熔融石英
紫外级熔融石英（UV Grade Fused Silica）：以四氯化硅气相合成工艺生产，金属杂质含量极低（ppb级），深紫外透过优异；但羟基（OH）含量通常较高（数百~1000 ppm），这是合成工艺的固有特点。从深紫外（~180nm）到近红外（~2.2μm）都有高透过率。典型牌号：康宁 7980、Heraeus Suprasil、国产 JGS1。用于紫外光学、高功率激光、光刻等。
红外级熔融石英（IR Grade Fused Silica）：以水晶熔融或电熔工艺生产，羟基含量极低（<5~10 ppm，部分牌号<1 ppm），有效消除了1.38μm、2.2μm、2.7μm等处的羟基吸收峰，红外波段透过率显著优于合成紫外级。典型牌号：康宁 7940、Heraeus Infrasil、国产 JGS3。用于红外光学、CO₂激光窗口等。
三、关键参数：熔融石英的核心性能指标
| 参数 | 典型值（合成紫外级） | 说明 |
|---|---|---|
| 折射率 nd (587.6nm) | 1.45846 | 比BK7略低 |
| 阿贝数 Vd | 67.7 | 色散较小 |
| 透过范围 | 180nm ～ 2.2μm | 具体取决于品级 |
| 热膨胀系数 (20-100℃) | 0.55×10⁻⁶/℃ | 约为BK7的1/13 |
| 折射率温度系数 dn/dT | 1.28×10⁻⁵/℃ | |
| 密度 | 2.20 g/cm³ | |
| 软化点 | ~1600℃ | 远高于普通玻璃 |
| 激光损伤阈值 | ~10 J/cm² (@1064nm, 10ns) | 显著高于BK7 |
热膨胀系数 0.55×10⁻⁶/℃ 是什么概念？ 温度变化 100℃，1 米长的熔融石英棒只伸长 0.055 毫米。同样条件下 BK7 玻璃会伸长 0.71 毫米，普通钢材会伸长 1.2 毫米。这种低膨胀特性让熔融石英在温度剧烈变化的环境中也能保持极高的形状精度和光学稳定性。
激光损伤阈值为什么高？ 因为熔融石英纯度高、缺陷少，而且 Si-O 键能大，光子不容易把键打断。在高功率纳秒激光系统中，熔融石英的 LIDT 通常是 BK7 的 2-3 倍，这也是为什么高功率激光器的窗口、透镜几乎都用熔融石英。
四、分类类型：紫外级vs红外级、国产牌号大全
1. 按制造方法分类
电熔熔融石英（Electric Fused）：将水晶粉或硅砂在电炉中熔化。成本较低，但杂质相对较高。紫外端约 250-280nm 起步。用于普通紫外光学、中低端激光元件。
合成熔融石英（Synthetic Fused Silica）：以高纯度硅化合物（如 SiCl₄）为原料，通过火焰水解等化学方法合成。纯度极高（金属杂质 ppb 级别），紫外透过率极佳，可到 180nm 以下。用于深紫外光刻、准分子激光、高端科研仪器。
2. 国产牌号对应（JGS 系列）
| 牌号 | 类型 | 相当于 | 特点与应用 |
|---|---|---|---|
| JGS1 | 远紫外光学石英玻璃 | 合成熔融石英 | 185-2500nm透过，深紫外应用，光刻机、准分子激光 |
| JGS2 | 紫外光学石英玻璃 | 电熔石英 | 220-2500nm透过，普通紫外光学、紫外灯 |
| JGS3 | 红外光学石英玻璃 | 红外熔融石英 | 260-3500nm透过，低羟基，红外光学、CO₂激光 |
五、应用场景：熔融石英都用在哪里？
1. 高功率激光器
这是熔融石英最核心的应用领域之一。高功率固体激光器、光纤激光器的输出窗口、透镜、反射镜基板，几乎全部使用熔融石英。原因很简单——它的激光损伤阈值高、热膨胀系数低，能承受大功率激光的”烤验”而不变形、不损坏。
2. 紫外光学与光刻
在深紫外（DUV）和真空紫外（VUV）波段，普通玻璃完全不透明，而合成熔融石英仍然保持高透过率。因此，半导体光刻机的光学系统、准分子激光（193nm ArF、248nm KrF）的光学元件，必须使用合成熔融石英。
3. 空间光学与天文
空间望远镜和卫星上的光学元件对材料稳定性要求极高——太空中温度变化剧烈（从零下一百度到零上一百度），材料的热膨胀必须极小。熔融石英因其极低的热膨胀系数和优异的空间环境稳定性，成为空间光学的首选材料之一。
4. 半导体制造
在半导体芯片制造过程中，石英玻璃广泛用作扩散炉管、晶圆承载器、清洗槽、光刻掩模版基板等。因为它耐高温、化学稳定性好（几乎不与酸反应）、纯度高、不会污染晶圆。
5. 光纤通信
光纤的纤芯和包层本质上就是掺杂的熔融石英。高纯度的合成石英玻璃是制造低损耗光纤的基础材料——光纤的损耗能低到 0.2 dB/km 以下，与石英材料的超高纯度密不可分。
六、常见误区：关于熔融石英的6个认知误区
误区1：熔融石英就是水晶，是晶体
不对。水晶（石英晶体）是晶态的 SiO₂，原子排列有周期性，具有双折射特性；而熔融石英是玻璃态（非晶态）的 SiO₂，原子排列长程无序，是各向同性的，没有双折射。两者化学成分一样，但微观结构完全不同，性能也有很大差异。
误区2：熔融石英在所有波段都透明
熔融石英的透过范围确实很宽，但也有极限。在深紫外端（<160nm），即使是最高品质的合成熔融石英也会开始强烈吸收；在红外端，超过 ~2.5μm 后透过率逐渐下降，到 4μm 以上就基本不透明了。
误区3：熔融石英不怕热，可以随便快速加热冷却
熔融石英的软化点确实很高（1000℃以上），而且热膨胀系数很低，抗热震性能比普通玻璃好得多。但这并不意味着它完全不怕热冲击——如果温度梯度太大（比如局部快速加热到很高温度），仍然可能因为热应力而破裂。只是它的抗热震能力比普通玻璃强很多倍而已。
误区4：熔融石英硬度高，所以不会划伤
熔融石英的莫氏硬度约为 5.5-6.5，确实比普通玻璃稍硬，但仍然会被更硬的物质划伤。比如金刚石、碳化硅、氧化铝、甚至砂子都能划伤它。所以高精度熔融石英光学元件仍然需要小心保护和清洁。
误区5：JGS1 和 JGS2 差不多，可以互换
差别很大。JGS1 是合成法生产的远紫外级石英，金属杂质在 ppb 量级，185nm 就有较高透过率；JGS2 是电熔法生产的紫外级石英，杂质相对较高，紫外截止波长在 220nm 左右。在深紫外应用中，JGS2 几乎不能用，而 JGS1 是标配。
误区6：熔融石英不与任何化学物质反应
熔融石英的化学稳定性确实极好，常温下几乎不与酸（除了氢氟酸和热磷酸）、碱、有机溶剂反应。但它有两个”克星”：一是氢氟酸（HF），会强烈腐蚀 SiO₂；二是热的浓碱溶液，高温下也会缓慢腐蚀。在使用和清洁熔融石英元件时，要避免接触这两类物质。
参考来源：
- RP Photonics Encyclopedia: Fused Silica — 熔融石英光学特性与分类
- Corning 7980 / 7979 合成熔融石英产品手册
- Heraeus Suprasil / Infrasil 熔融石英技术参数
- 《光学石英玻璃》 — 国内石英玻璃专业著作
相关产品推荐：光学谐振腔与元器件
发表回复