Сапфир - это форма оксида алюминия, одного из самых распространенных в природе соединений. В своем естественном состоянии оксид алюминия (Al2O3) представляет собой белый порошкообразный материал, широко используемый в промышленности в качестве абразива. 

 

При нагревании примерно до 2050°C порошок плавится и впоследствии может быть преобразован в кристалл. Поскольку оптический сапфир представляет собой монокристалл, его нельзя формовать, вытягивать или лить. Его необходимо «выращивать» до требуемой формы в соответствии с выбранным методом роста (чаще всего используется метод Чохральского). Синтетический или искусственный сапфир имеет ту же монокристаллическую ромбоэдрическую структуру, что и природный драгоценный камень, однако он обладает большей чистотой и прозрачностью. 

 

В то время как современные технологии выращивания кристаллов позволяют получить почти идеальную желаемую форму, почти все компоненты, производимые из сапфира, требуют использования различных операций резки, шлифования и полировки.

 

Преимущества сапфировой оптики

 

Рисунок 1 - Сапфировая оптика

 

У окон и линз, изготовленных из Al₂O₃, много преимуществ перед традиционной стеклянной оптикой. Оптические компоненты из оксида алюминия превосходят по характеристикам и надежности своих аналогов из плавленого кварца в диапазоне пропускания от 190 до 5000 нм.

 

Сам материал демонстрирует следующие особенности:

• Является одним из самых твердых веществ наряду с алмазом;
• Намного прочнее других оптических материалов;
• Обладает чрезвычайной твердость поверхности и устойчивостью к царапинам;
• Демонстрирует отличную устойчивость к износу в суровых условиях окружающей среды;
• Имеет широкую полосу пропускания от УФ до среднего ИК диапазона;
• Высокая температура плавления; Высокое электрическое сопротивление;
• Химически инертный материал;
• Не подвержен влиянию химикатов;
• Высокая теплопроводность для непроводника, даже лучше, чем у меди при криогенных температурах;
• Высокая диэлектрическая проницаемость.

 

Оптический сапфир - это:

 

• Синтетический кристалл;
• Материал, который полностью (химически, физически и оптически) дублирует натуральный камень, но без природных примесей или включений;
• Вещество с высокой прозрачностью;
• Используя кристаллографическую терминологию, кристалл, который относится к ромбоэдрической системе класса 3m;
• Отрицательный одноосный кристалл.

 

Сапфир является вторым по твердости кристаллом после алмаза, и из-за его структурной прочности оптические окна из данного материала могут быть намного тоньше, чем окна из других распространенных диэлектрических материалов, а также демонстрировать лучший коэффициент пропускания. Сапфировое оптическое окно можно использовать в широком диапазоне длин волн, от 0,15 до 5,5 мкм, и оно устойчиво к потемнению при работе с УФ-излучением.

 

Окна и волновые пластины из оксида алюминия устойчивы к воздействию окружающей среды и обладают стойкостью к обычным химическим кислотам и щелочам из-за высокой диэлектрической проницаемости сапфира. Другие свойства, которые делают этот кристалл уникальным - это высокая прочность на сжатие, высокая температура плавления, высокая термическая стабильность и высокая теплопроводность.

 

Обобщая вышесказанное, ключевые особенности Al₂O₃-оптики:

• Пропускание в широком диапазоне длин волн от УФ до ближнего ИК (0,15-5,5 мкм);
• Прочность выше, чем у элементов, изготовленных из других оптических материалов;
• Высокая твердость и устойчивость к царапинам (9 по шкале Мооса);
• Высокая температура плавления (2030 °C);
• Элементы не чувствительны к влиянию агрессивной окружающей среды.  

 

Рисунок 2 - Полоса пропускания сапфира без покрытия

Рисунок 3 - Пропускание в ИК диапазоне в зависимости от толщины материала

 

Двойное лучепреломление делает оптический сапфир идеальным материалом для высококачественных волновых пластин, устойчивых к агрессивным средам и работающих от УФ до среднего ИК диапазона. При изготовлении волновых пластин кристалл обычно выращивают с такой ориентацией, которая максимизирует двулучепреломление. С другой стороны, окна обычно производят из кристалла с ориентацией, которая минимизирует двулучепреломление.

 

Основные оптические и механические характеристики сапфира

Параметр	Значение
Показатель преломления	no = 1.768, ne = 1.760
Двулучепреломление	0.008
Температурный коэффициент показателя преломления	13×10-6/°C (@ 0.57 мкм, 20°C)
Пропускание	>85% 0.3-4.0 мкм (@ 0.1 мм толщина) без покрытия
Излучательная способность @ 3,4,5 мкм	16%, 25%, 70% (@500°C)
Поглощение @ 0.66 мм  @ 1600°C	0.1 – 0.2 см-1
Твердость по Моосу	9
Модуль Юнга	400 ГПа @ 20°C
Коэффициент Пуассона	0.29
Прочность на сжатие	2 МПа
Прочность на изгиб	900 МПа
Модуль объёмной упругости	240 ГПа
Модуль сдвига	175 ГПа
Прочность на растяжение	300 – 400 МПа

 

Элементы из сапфира используются для таких областей, где необходимо учитывать высокое давление, температуру, тепловые нагрузки, а также вакуум, устойчивость к царапинам и коррозионную атмосферу. Такие элементы часто используются в научно-исследовательских, медицинских, и даже космических приложениях благодаря своим превосходным характеристикам.

 

Источник