Оптические сапфиры
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
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.
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.
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.