Wer schon einmal versucht hat, durch ein Fenster hindurch braun zu werden, kennt die Antwort intuitiv: Normales Glas blockiert UV-Licht. Verwendet man jedoch Quarzglas, dringt UV-Strahlung ungehindert hindurch. Beide Materialien sind für das Auge transparent, basieren auf Siliziumdioxid und sehen im Labor nahezu identisch aus. Warum also blockiert das eine Material ultraviolette Strahlung fast vollständig, während das andere sie bis zu Wellenlängen von nur 160 nm durchlässt?
Die Antwort hängt von der Zusammensetzung ab – genauer gesagt davon, was sich neben SiO₂ im Glas befindet und wie diese Verunreinigungen mit kurzwelligen Photonen interagieren.

Warum normales Glas ultraviolettes Licht blockiert

Standard-Natronkalkglas – das Material, das für Fenster, Flaschen und die meisten Alltagsglasprodukte verwendet wird – besteht nicht aus reinem Siliziumdioxid. Es ist eine Mischung aus Oxiden, die so zusammengesetzt ist, dass der Schmelzpunkt von Siliziumdioxid gesenkt wird und die Herstellung des Glases in großem Maßstab einfacher und kostengünstiger wird.

Die typische Zusammensetzung von Natronkalkglas (Gewichtsanteile) beträgt etwa 73 % SiO₂, 14 % Na₂O (Natriumoxid), 9 % CaO (Calciumoxid) sowie geringere Mengen an MgO, Al₂O₃ und anderen Oxiden. Diese netzwerkmodifizierenden Oxide senken die Glasübergangstemperatur von etwa 1200 °C für reines Siliciumdioxid auf etwa 550–600 °C, wodurch eine industrielle Produktion wirtschaftlich wird.
Das Problem besteht darin, dass diese Metalloxide UV-Strahlung absorbieren. Eisenoxid (Fe₂O₃) ist dabei besonders wirksam – selbst bei Konzentrationen von nur 0,01–0,1 Gew.-% erzeugen Eisenverunreinigungen starke Absorptionsbanden im UV- und blau-sichtbaren Bereich. Titandioxid (TiO₂) trägt in ähnlicher Weise dazu bei. Natrium- und Calciumoxide verändern die elektronische Struktur des Glasnetzwerks so, dass sich dessen fundamentale Absorptionskante zu längeren Wellenlängen verschiebt und somit das UV-Transmissionsfenster verkleinert wird.
Das Ergebnis ist eine UV-Absorptionsgrenze von etwa 300–320 nm für Standard-Natronkalkglas. Strahlung unterhalb dieser Wellenlänge wird bereits in den ersten Bruchteilen eines Millimeters der Glasdicke absorbiert und dringt nicht bis zur anderen Seite vor. Für sichtbares Licht, dessen Wellenlängen zwischen 380 und 700 nm liegen, ist diese Absorption vernachlässigbar – daher erscheint normales Glas vollkommen transparent. Für UV-Anwendungen ist das Glas jedoch praktisch undurchsichtig.

Warum Quarzglas UV-Durchlässigkeit ermöglicht

Quarzglas – ob natürlicher Quarz oder synthetisches Quarzglas – besteht fast vollständig aus Siliciumdioxid (SiO₂) und weist typischerweise eine Reinheit von über 99,9 % auf, die bei hochreinen synthetischen Sorten sogar über 99,999 % liegt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Gläsern enthält es praktisch kein Natriumoxid, Calciumoxid oder andere netzwerkmodifizierende Oxide. Stattdessen besteht die Struktur fast ausschließlich aus Si–O–Si-Bindungen, die ein durchgehendes amorphes Netzwerk bilden.

Diese Struktur ist entscheidend für die Ultraviolett-Transmission. Die intrinsische elektronische Absorptionskante der Si–O-Bindung liegt im Vakuum-Ultraviolett-Bereich, typischerweise um 160–180 nm. Photonen mit Wellenlängen oberhalb dieser Schwelle besitzen nicht genügend Energie, um diese elektronischen Übergänge anzuregen. Dadurch kann das Material Licht effizient von etwa 180–200 nm über das sichtbare Spektrum bis weit in den Nahinfrarotbereich bis zu etwa 3500 nm transmittieren.

Ebenso wichtig ist die extrem niedrige Konzentration an metallischen Verunreinigungen. In hochwertigem Quarzglas liegt der Eisengehalt oft unter 1 ppm (Gewichtsanteil) – deutlich niedriger als in herkömmlichem Kalk-Natron-Glas, das Hunderte oder Tausende von ppm enthalten kann. Auch andere Übergangsmetalle wie Titan, Kupfer und Chrom werden auf Spuren reduziert. Da diese Elemente starke Absorptionsbanden im UV- und sichtbaren Bereich erzeugen, verhindert die Minimierung ihrer Konzentration eine signifikante Abschwächung von UV-Photonen im Bereich von 200–400 nm.

Die strukturelle Homogenität von Quarzglas verbessert die optischen Eigenschaften zusätzlich. Das durchgehende amorphe Si–O–Si-Netzwerk weist keine Korngrenzen auf und zeigt eine extrem geringe Defektdichte, wodurch die Streuung bei kurzen Wellenlängen minimiert wird. Daher kann poliertes Quarzglas in optischer Qualität ultraviolettes Licht mit Verlusten in der Größenordnung von etwa 1–3 % pro Millimeter Weglänge bei 200 nm durchlassen, wobei die Transmission bei längeren Wellenlängen rapide zunimmt.

Welche Quarzglasarten bieten die beste UV-Durchlässigkeit?

Quarzglas ist im UV-Bereich nicht gleich Quarzglas. Innerhalb der Quarzglasfamilie variiert die UV-Transmission erheblich, abhängig vom Herstellungsverfahren, dem Rohmaterial und dem Hydroxylgehalt (OH).
Natürlicher Quarz wird durch Schmelzen hochreiner natürlicher Quarzkristalle hergestellt. In Standardqualitäten erreicht er eine UV-Transmission bis zu etwa 240–250 nm. Restliche metallische Verunreinigungen aus dem Ausgangskristall – hauptsächlich Aluminium und Eisen in niedrigen ppm-Konzentrationen – erzeugen Absorptionsbanden im tiefen UV-Bereich, die die Leistung unterhalb dieser Schwelle einschränken. Natürlicher Quarz eignet sich für viele UV-Lampen- und industrielle Heizanwendungen, jedoch nicht für optische Systeme im tiefen UV-Bereich.
Synthetisches Quarzglas wird aus chemischen Vorstufen mittels Flammenhydrolyse oder chemischer Gasphasenabscheidung hergestellt, anstatt aus abgebautem Quarz. Durch den Verzicht auf die natürliche Kristallquelle werden die Einschränkungen durch metallische Verunreinigungen nahezu vollständig beseitigt. Je nach Qualität ist synthetisches Quarzglas bis zu etwa 160–180 nm durchlässig, wobei hoch-OH-haltige Qualitäten den Bereich bis ins Vakuum-UV erweitern. Es ist das bevorzugte Material für UV-Laseroptiken, Tief-UV-Spektroskopie und Halbleiter-Photolithographieanlagen, die bei 193 nm (ArF-Excimerlaser) oder 248 nm (KrF-Excimerlaser) arbeiten.
UV-Quarzglas ist eine Bezeichnung für synthetisches Quarzglas, das speziell für UV-Anwendungen optimiert und geprüft wurde. Hersteller testen diese Materialien auf ihre interne Transmission bei wichtigen UV-Wellenlängen (typischerweise 185 nm, 193 nm, 248 nm und 266 nm) und garantieren Mindesttransmissionswerte. UV-Quarzglas weist zudem einen kontrollierten OH-Gehalt auf, da eine hohe Hydroxylkonzentration zwar eine Absorptionsbande bei etwa 2730 nm im Infrarotbereich erzeugt, aber bei sehr hohem OH-Gehalt auch die Leistung im tiefen UV-Bereich beeinträchtigen kann. Beispiele für solche Produkte sind die Heraeus Suprasil® 300-Serie, Corning HPFS® 7979 und Schott Lithosil® Q0.
Das praktische Auswahlkriterium ist die kürzeste Wellenlänge, bei der die Anwendung Transmission erfordert. Für die UV-C-Sterilisation bei 254 nm ist natürliches Quarzglas im Allgemeinen ausreichend. Für ArF-Excimerlaseroptiken bei 193 nm erfüllt nur synthetisches Quarzglas in UV-Qualität die Spezifikationen. Für Vakuum-UV-Anwendungen unter 160 nm ist selbst Quarzglas unzureichend; stattdessen werden Fenster aus Calciumfluorid (CaF₂) oder Magnesiumfluorid (MgF₂) benötigt.

Abschluss

Der Unterschied in der UV-Transmission zwischen Quarzglas und normalem Glas ist nicht graduell, sondern eine grundlegende Folge der Zusammensetzung. Kalk-Natron-Glas enthält Metalloxidverunreinigungen und Netzwerkmodifikatoren, die seine Absorptionskante in den nahen UV-Bereich verschieben und es somit für die in UV-Anwendungen relevanten Wellenlängen undurchlässig machen. Quarzglas hingegen, mit seiner nahezu reinen SiO₂-Struktur und Verunreinigungen im Sub-ppm-Bereich, weist eine durch die Si-O-Bindung selbst definierte Absorptionskante bei etwa 160 nm auf, wodurch das gesamte UV-Spektrum für die Transmission frei bleibt.

Für Ingenieure, die optische Fenster, Lampenfassungen oder Prozessanlagen spezifizieren, bei denen die UV-Leistung entscheidend ist, sollte die Wahl der Quarzglasqualität auf die jeweilige Wellenlängenanforderung abgestimmt sein. Canal Glass Shop liefert und bearbeitet Quarzglaskomponenten nach präzisen Maßvorgaben für UV-optische, Halbleiter- und industrielle Anwendungen. Fordern Sie ein Angebot an, um Ihre Anforderungen zu besprechen.