在光學加工鍍膜中，石英玻璃作為各類高端光學鏡片的基底，其遍布應用從半導體光刻機的深紫外鏡頭，到醫用內窺鏡的保護窗，再到高功率激光器的輸出窗口，石英玻璃其寬波段透過性、極低的熱膨脹和優異的化學穩定性，成為光學設計最可靠的基底材料之一。

（石英玻璃雙面增透）

然而，石英玻璃的光學加工并非易事。它的硬度高、脆性大，傳統工藝效率偏低；某些加工方法（如單點金剛石車削）甚至完全不適用。如何揚長避短，將石英玻璃加工成符合要求的光學元件，并在其表面鍍上功能薄膜，是光學制造領域的核心課題。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加工及應用，為大家做一個全面的簡單認識，

（派大莘攝）

一、石英玻璃是什么？

石英玻璃的化學成分很簡單——二氧化硅（SiO?），但它不是晶體狀態（如水晶），而是非晶態的無定形結構。這種無序的硅-氧網絡賦予了它一系列獨特性質。

根據原料和制備方法的不同，石英玻璃主要分為兩類：

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，通過化學氣相沉積（CVD）制成。純度極高（99.9999%以上），羥基含量可低至1ppm以下，深紫外透過率遠優于天然石英。當然，價格也更高。

下表匯總了石英玻璃的基本物理特性（常規批次數據）：

極低的熱膨脹系數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的爐膛也不會炸裂。這一特性在高溫或高功率光學系統中極為寶貴。

（石英玻璃曲線圖）

二、石英玻璃的光學特點

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

【注】高純度合成石英（如專為光刻設計的牌號）在193nm處透過率可達99%以上，但此類材料并非通用批次，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，阿貝數約為67.8。在可見光波段的主折射率為1.4585（d線，587.6nm）。對于紫外應用，365nm（i線）處的折射率約為1.4745。

激光損傷閾值：在常規加工和鍍膜條件下，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，但通過優化工藝仍可維持在相近水平。

【注】經過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，但屬于專業激光光學廠商的定制能力，不適用于常規批量生產。

（JGS1/2/3三種石英玻璃透過率范圍圖）

三、為什么石英玻璃適合做光學鍍膜的基底？

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

1.膜層附著力強。石英玻璃表面的硅羥基（Si-OH）與常見的氧化物薄膜材料（如SiO?、TiO?、Ta?O?）能形成化學鍵合，經過標準清洗后，鍍層通過膠帶測試無脫落是常規水平。

2.熱應力匹配良好。石英玻璃的熱膨脹系數（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，膜層不會因熱脹冷縮而開裂。

3.基底表面可拋光至足夠光滑。常規光學拋光后，石英玻璃的表面粗糙度（RMS）可達0.5-1nm。這為低散射損耗的鍍膜奠定了基礎。【注】若需要原子級光滑表面（<0.1nmRMS），則需要磁流變拋光或離子束修形等后續工序。

4.耐鍍膜高溫。電子束蒸發鍍膜時，基片通常加熱到200-300°C，石英玻璃完全承受，不會變形或產生內應力。

（圖源網絡-侵刪）

四、哪些加工方法不適用于石英玻璃？

在光學加工中，有些方法對普通光學玻璃（如K9、BK7）很好用，但用在石英玻璃上就會出問題。以下是常規工廠應特別注意的“雷區”：

1.單點金剛石車削：完全不適用。石英玻璃是脆性材料，車削時的局部應力會導致崩邊、微裂紋，無法得到光學級表面。即便是超聲輔助切削，也仍停留在實驗室階段。

2.常規CO?激光拋光：很少用于精密光學件。激光局部加熱易產生熱應力，導致微裂紋甚至炸裂，且面形精度難以控制。該技術主要用于非光學表面的粗效平滑。

3.純氫氟酸長時間蝕刻：可用但要謹慎。氫氟酸蝕刻是各向同性的，會破壞尺寸精度，并使表面粗糙度增大（可升至10nm以上）。常規生產中，氫氟酸僅用于短時間的去毛刺或化學減薄，并嚴格計時。

4.高溫熱壓成型：不適用于精密光學件。石英玻璃軟化點高達1680°C，在高溫下粘度仍然很高，難以精確填充模具；同時模具材料可能污染玻璃表面。

5.傳統散粒磨料研磨：雖然可用，但效率偏低。相比普通光學玻璃，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際的加工路線。

（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薄膜后，可以勝任各種應用場景。以下按應用領域分別介紹，并給出常規工廠可批量保證的加工參數。

1.紫外固化與半導體檢測：在365nm（i線）或405nm（h線）的紫外光學系統中，石英玻璃是首選的窗口和透鏡材料。典型的加工參數為：

面形精度：λ/4@633nm（干涉儀測量）

表面粗糙度：<1nmRMS

增透膜：單面剩余反射率<0.5%@365nm（膜層材料Al?O?/SiO?或MgF?）

【注】深紫外（248nm、193nm）光刻級別應用，需要合成石英基片+專用鍍膜工藝，常規光學工廠不具備，需尋找專業深紫外光學廠商。

2.可見光及近紅外光學系統

這是最通用的領域，涵蓋成像鏡頭、保護窗口、反射鏡等。加工參數如下：

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

介質反射鏡（中心波長可指定）：反射率>99%@45°入射角

3.高功率連續激光器

以1070nm光纖激光器的輸出窗口為例，常規水平為：

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連續波

面形精度：λ/10@633nm

【注】對于超過30J/cm2脈沖或10kW連續波的高端激光器，需要采用離子束濺射鍍膜和超精密拋光基片，這超出了常規工廠的量產能力。

4.光通信窄帶濾光片（DWDM）

用于波分復用系統的薄膜濾光片，常規工廠可實現的指標為：

中心波長公差：±0.5nm

帶寬（半高寬）：1-2nm

峰值透過率：>95%

【注】信道間隔50GHz（中心波長精度±0.05nm，帶寬0.4nm以下）的濾光片，需要專業光通信濾光片廠家制造，不屬通用光學加工范疇。

5.生物醫療儀器

在熒光顯微鏡、流式細胞儀、內窺鏡等設備中，石英玻璃的化學惰性和生物相容性至關重要。常規加工要求：

表面粗糙度：<1nmRMS，且清洗后無顆粒殘留

耐濕熱滅菌：膜層經121°C高壓蒸汽30分鐘不脫落

透過率：>90%@所需波段（通常為400-700nm或特定熒光波段）

6.空間光學（商業衛星）

對于低軌道商業衛星的光學載荷，石英玻璃鍍膜后需滿足：

寬溫工作：-40°C至+70°C無膜裂

抗輻射加硬膜：減少空間帶電粒子導致的透過率衰減

可選低吸水性膜層

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

六、高端工藝能達到什么水平？

下表列出了一些僅在專業細分領域或研發條件下才能達到的高端參數。這些非常規光學工廠的量產能力，僅供參考對比。

石英玻璃是一種性能優越但加工門檻略高的光學材料。在常規加工條件下，通過傳統研磨、拋光和電子束蒸發鍍膜，完全可以制造出滿足絕大多數工業、醫療和科研需求的光學元件——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。

對于追求原子級光滑表面、極限激光耐受或深紫外高效透過的高端應用，則需要采用磁流變拋光、離子束修形、離子束濺射鍍膜等專門工藝，并承擔更高的成本與更長的周期。