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.