Введение в оптический сапфир

Введение в оптический сапфир

Оптический сапфир — это искусственный, очень чистый тип оксида алюминия (AL2O3), специально созданный для сложных оптических, механических и термических применений. Это кристаллический материал, принципиально отличающийся от аморфного оптического стекла, в котором отсутствует дальний атомный порядок, характерный для кристаллов. В то время как полностью натуральный сапфир существует и ценится как драгоценный камень, синтетический оптический сапфир расширяется в контролируемых условиях для достижения высокой чистоты и архитектурного совершенства, необходимых для технологических применений. Термин «жемчужное стекло» по этой причине является неправильным, поскольку сапфир обладает кристаллической решетчатой ​​структурой, в отличие от неупорядоченного атомного плана, обнаруженного в стекле.

Решающее различие между кристаллическими твердыми телами, такими как сапфир, и аморфными твердыми телами, такими как стекло, зависит от их атомного плана. Кристаллические продукты демонстрируют высокоупорядоченную, дублирующую решетчатую структуру, которая продолжается по всему продукту. Этот интегральный порядок определяет большинство исключительных свойств сапфира, включая его выдающуюся твердость, высокий коэффициент плавления и особые оптические свойства. Кристаллические продукты сохраняют негибкую структуру, пока не достигнут отличительного, резкого уровня температуры плавления. Напротив, аморфные материалы, такие как оптическое стекло, имеют случайное расположение атомов без дальнего порядка. Стекло обычно рассматривается как переохлажденная жидкость, толщина которой постепенно изменяется с уровнем температуры, в отличие от фиксированной точки плавления. Типичным примером, демонстрирующим это различие, является диоксид кремния (SiO2), который может существовать в виде аморфного плавленого кварцевого стекла или кристаллического кварца.

Кристаллическая структура сапфира гексагональная/ромбоэдрическая. Эта анизотропная структура подразумевает, что ряд ее свойств, включая оптические и механические характеристики, зависят от кристаллографической ориентации. Различные ориентации, такие как C-плоскость, A-плоскость, R-плоскость и M-плоскость, используются в зависимости от конкретных потребностей приложения. Сапфир в C-плоскости, где оптическая ось кристалла перпендикулярна поверхности, обычно предпочтителен в оптических приложениях для уменьшения результатов двойного лучепреломления. Случайные расположения могут использоваться для менее критических приложений. Угловое соотношение между оптической осью и площадью поверхности детали называется ее выравниванием.

История производства искусственного сапфира насчитывает более столетия. Процесс Вернейля, созданный Огюстом Вернейлем в 1902 году, был самой первой технологией массового производства синтетических драгоценных камней с помощью пламенного сплавления. Хотя традиционно качество, достигаемое процедурой Вернейля, было, как правило, недостаточным для современных высокоточных оптических и цифровых приложений. Были созданы передовые технологии, такие как метод Чохральского и метод Edge-defined Film-fed Growth (EFG), для создания более крупных, более однородных кристаллов с меньшим количеством проблем, подходящих для полупроводниковых пластин и высококачественных оптических компонентов. Во время Второй мировой войны процесс Вернейля был специально реализован в Соединенных Штатах для создания подшипников для драгоценных камней для точных инструментов, когда европейские линии поставок были нарушены.

Чистый сапфир бесцветен. Видимость примесей может придать сапфиру оттенок и значительно изменить его механические, термические и оптические свойства. Например, дефекты кислорода, присутствующие на протяжении всей процедуры выращивания кристалла, могут привести к поглощению света, особенно в УФ-диапазоне около 200 нм (называемым F-центром). Сапфир с меньшим количеством проблем с кислородом может пропускать свет до 150 нм. Синтетический сапфир оценивается на основе его предполагаемого применения, причем более высокие качества показывают очень малое рассеивание света и искажение решетки для требовательных оптических применений, в то время как пониженные качества с еще большим количеством дефектов подходят для механических применений. Сапфир УФ-класса специально обработан, чтобы избежать соляризации под воздействием УФ-света. Примерами качеств являются Качество 1 (замечательное оптическое пропускание), Класс 2 (высокая оптическая прозрачность) и Механическое качество (высокая твердость и устойчивость к использованию).

Сравнительные оптические и физические характеристики

Оптический сапфир обладает уникальным сочетанием оптических и физических свойств, которые отличают его от стандартных очков и делают его незаменимым для высокоэффективных процедур.

Оптическое место жительства:

• Коробка передач Вариант: Среди самых значительных визуальных преимуществ сапфира — его невероятно широкий диапазон пропускания. Он пропускает свет, исходящий из области глубокого синего моря в ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, начиная примерно с 150-170 нм (в зависимости от уровня и чистоты), с видимой сферы и до среднего инфракрасного (MWIR) диапазона, обычно примерно 5,5 мкм (5500 нм). Некоторые источники предполагают верхний предел в 4,5 мкм. Это большое окно открытости делает сапфир подходящим для приложений, требующих коробки передач в различных жутких диапазонах, в отличие от многих визуальных стекол, которые на самом деле в основном созданы для видимого или ближнего ИК-диапазона. Например, обычное боросиликатное кроновое стекло, такое как BK7, пропускает свет примерно от 350 нм до 2000 нм, что делает его непригодным для более глубокой УФ-обработки. Объединенный кремний обеспечивает более широкий выбор (около 210-4000 нм), но все еще не дотягивает до глубокого УФ-излучения сапфира и расширенного СВИК-коробки передач. Германий, хотя и используется в ИК-диапазоне, на самом деле непрозрачен как в видимом, так и в УФ-диапазоне. Более высокое пропускание сапфира может быть дополнительно усилено антибликовыми (AR) покрытиями, достигая до 99% пропускания в детальных диапазонах длин волн. Сапфир также невосприимчив к УФ-потемнению, ощущению разрушения, наблюдаемому в некоторых визуальных продуктах при длительной видимости УФ-излучения.
• Рефракционная метка: Сапфир обладает относительно высоким показателем преломления, сопоставимым со многими обычными оптическими стеклами. В видимом спектре его собственный показатель преломления обычно составляет около 1,76. На определенной длине волны, например, 1,06 мкм, показатель преломления фактически составляет приблизительно 1,7545. Это больше, чем у BK7 (около 1,5168 при 587,6 нм) и интегрированного кремния (1,3900 при 587,6 нм). Преломляющая марка сапфира, как и других компонентов, зависит от температуры, а также напряжения (dn/dT и также dn/dP), хотя подробные рыночные значения требуют более специализированных записей.
• Двойное лучепреломление: Как одноосный кристалл, сапфир проявляет двупреломление, указывая на то, что его показатель преломления изменяется в зависимости от поляризации и распространения света вокруг его визуальной оси (c-). Это может привести к двойному преломлению. Традиционный показатель преломления (No) для солнечного поляризованного вертикального направления к оси c составляет приблизительно 1,768, в то время как удивительный показатель преломления (Ne) для солнечного поляризованного параллельного оси c составляет на самом деле около 1,760. Величина двупреломления (Ne – абсолютно No) составляет приблизительно 0,008. Хотя двупреломление может использоваться в таких обработках, как волновые пластины, оно часто неблагоприятно в оптических окнах и линзах, поскольку может искажать волновые фронты и вносить эффекты, зависящие от поляризации. Осознанный сбор выравнивания камня, особенно с использованием разрезов в плоскости C, где свет рассеивается вдоль оси c, может легко уменьшить результаты двупреломления в визуальных частях.
• Распространение: Рассеивание сапфира, которое описывает, как его собственный показатель преломления изменяется вместе с длиной волны, можно охарактеризовать с помощью формул Селлмейера. Хотя конкретные рыночные значения распределения, безусловно, не были предоставлены напрямую, формула Селлмейера позволяет оценить показатель преломления по всей сфере коробки передач. Разновидность Аббе, общая метрика для диффузии в оптических стеклах, показывает уменьшенное рассеяние с высокой рыночной стоимостью, а также значительное распределение с уменьшенной рыночной стоимостью.

Телесные качества:

• Твердость и прочность: Сапфир на самом деле невероятно твердый, занимая 9 место по шкале Мооса, уступая только драгоценным камням. Его твердость по Кнупу варьируется от 1370 до 2200 кг/мм2 в зависимости от выравнивания. Эта жесткая твердость делает его крайне невосприимчивым к царапинам, истиранию, а также износу, что является важным преимуществом в суровых условиях. Сапфир также обладает более высокой прочностью на сжатие и более высоким модулем упругости, что обеспечивает его превосходную техническую устойчивость и устойчивость к воздействию.
• Термические характеристики: Сапфир демонстрирует исключительную термическую надежность, сохраняя свои механические и оптические свойства при большом изменении температуры, начиная с криогенных значений примерно более 1800 ° C и заканчивая точкой плавления около 2053 ° C (3727 ° F). Его собственная тепловая энергия на самом деле больше, чем у большинства других визуальных компонентов и диэлектриков, что помогает рассеивать тепловую энергию, жизненно важную при высоких температурах или даже при высоком энергопотреблении. Сапфир также демонстрирует защиту от теплового удара, избегая повреждения поверхности или расстекловывания во время быстрых изменений уровня температуры. Его собственный коэффициент теплового расширения на самом деле относительно низкий, около 8,8 x 10 ⁻⁶/ ° C. * Химическая инертность: Сапфир на самом деле невероятно химически пассивен, а также невосприимчив к большинству растворителей, кислот и щелочей при комнатной температуре. Хотя некоторое травление может легко сопровождаться теплой фосфорной кислотой и жесткими едкими веществами выше 600-800 ° C, его собственная стандартная стойкость делает его весьма подходящим для едких химических сред, где многие оптические стекла, безусловно, ослабнут.
• Электрическая недвижимость: Сапфир на самом деле является исключительным электрическим изолятором с высоким сопротивлением большинства, а также более высокой диэлектрической постоянной. Эти свойства полезны в приложениях, требующих изоляции питания.

Оценочный стол: сапфировые и обычные оптические стекла

Это сравнение подчеркивает преимущества сапфира в отношении прочности, термической и химической защиты, а также обширного спектрального диапазона, особенно в глубоком УФ и растянутом MWIR, где многие оптические стекла ограничены. При этом его двупреломление и более высокая цена являются факторами, которые следует учитывать при выборе стиля устройства.

Применения и контексты производительности

Феноменальное сочетание оптических и физических свойств жилых и коммерческих помещений делает сапфир материалом выбора для широкого спектра требовательных приложений, где обычные оптические стекла перестали бы работать. Его способность выдерживать суровые атмосферы является ключевым фактором для использования в специализированных оптических системах.

• Окна и купола для суровых условий: Удивительная прочность сапфира (9 по шкале Мооса) и устойчивость к царапинам имеют решающее значение в атмосферах с неприятными фрагментами, например, в высокоскоростных аэрокосмических приложениях, сталкивающихся с песком и грязью, или подводных системах, подвергающихся воздействию глубоководных и осадочных пород. Его высокая прочность на сжатие и устойчивость к нагрузкам позволяют использовать его в глубоководных подводных аппаратах и ​​подводных автомобилях безопасности с оптическими куполами, способными выдерживать нагрузку около 10 000 фунтов на квадратный дюйм. Химическая инертность продукта гарантирует производительность в разрушительных атмосферах, в то время как его высокотемпературная безопасность (рабочие массивы от -200 ° C до +1000 ° C и выравнивание до 2030 ° C) делает его идеальным для окон систем отопления, смотровых окон в камерах пылесосов и высокотемпературных плазменных средах. Устойчивость сапфира к тепловому удару дополнительно повышает его надежность в приложениях с быстрым изменением уровня температуры.
• Аэрокосмическая промышленность и оборона: В аэрокосмической отрасли перламутровые окна и купола используются в высокоскоростных системах наведения ракет, живописных столбах и карданных системах из-за их способности выдерживать суровые условия высокой скорости и воздействия экологических факторов. Его радиационная стойкость, останавливающая соляризацию в системах с высоким уровнем излучения, делает его пригодным для космических и ядерных применений.
• Лазерные системы: Сапфировые окна для дома выступают в качестве защитных элементов во многих типах лазеров, способных выдерживать высокую плотность мощности лазера без повреждений. Высокое качество поверхности особенно важно в лазерных приложениях, поскольку дефекты могут вызвать лазерно-индуцированные повреждения. Более жесткие допуски качества поверхности часто требуются для УФ-лазеров из-за повышенного рассеивания.
• Промышленные смотровые площадки: Сапфировые окна часто используются в качестве смотровых окон в камерах пылесосов и установках, включающих высокотемпературную плазму, благодаря их устойчивости к экстремальным перепадам температур и перепадам напряжений.
• Медицинское применение: Оптическая прозрачность, химическая инертность, устойчивость к царапинам и биосовместимость сапфира делают его идеальным материалом для различных медицинских применений, включая медицинскую визуализацию, лазеры, биохимический анализ и хирургическую робототехнику.
• Полупроводниковая промышленность: Хотя сапфир не всегда применяется исключительно в оптических целях, он широко используется в качестве подложки для выращивания нитрида галлия (GaN) при производстве сверхъярких светодиодов и лазерных диодов.
• Бытовая электроника: Устойчивость сапфира к царапинам обусловила его использование в часовых стеклах и, в некоторой степени, в качестве покрытия для камер и экранов дисплеев смартфонов, хотя стоимость остается существенным фактором, ограничивающим его более широкое применение в этой отрасли.
• Различные другие приложения: Сапфир также используется в сканерах кода UPC благодаря своей прочной, устойчивой к царапинам поверхности, а также в системах FTIR-спектроскопии и FLIR-визуализации.

В отличие от оптического стекла, сапфир демонстрирует исключительную производительность в приложениях, требующих чрезвычайной твердости, стойкости к высоким температурам, широкого спектрального пропускания (особенно в УФ и MWIR) и химической инертности. Хотя оптические стекла, такие как BK7 и плавленый кварц, доступны по цене и подходят для нескольких видимых и ближних ИК-приложений, им не хватает прочности и расширенного спектрального диапазона сапфира. Плавленый кварц обычно считается практичной альтернативой в некоторых сложных приложениях, однако сапфир обычно обеспечивает замечательную эффективность, хотя и по более высокой цене. Выбор между сапфиром и оптическим стеклом является компромиссом между требованиями к производительности, условиями окружающей среды и ценовыми факторами, которые следует учитывать.

Производственные процессы, возвраты и влияние расходов

Производство больших, высококачественных оптических сапфировых булей и прецизионных оптических деталей — сложный и энергоемкий процесс, который существенно увеличивает стоимость продукта по сравнению с массовым оптическим стеклом. Используется несколько подходов к выращиванию кристаллов, каждый из которых имеет свои собственные преимущества, проблемы и влияние на доходность и цену.

Рынок искусственного сапфира — это растущая отрасль, которая, по прогнозам, достигнет 10,1 млрд долларов США к 2033 году с 5,2 млрд долларов США в 2023 году, при среднегодовом темпе роста 6,8%. Ключевые области применения, обуславливающие этот рост, включают светодиоды высокой яркости, полупроводниковые подложки, оптические детали и потребительские электронные устройства. В то время как сапфир в настоящее время доминирует на рынке светодиодных подложек высокой яркости, другие продукты, такие как кремний (Si), карбид кремния (SiC) и нитрид галлия на кремнии (GaN-на-Si), набирают долю рынка. Потребность зависит от потребительских электронных устройств, автомобильного рынка (в частности, от развития рынка автомобильных светодиодов, обусловленного принятием электромобилей), и более широких изменений в светодиодных фонарях. Избыток на рынке потребительской электроники может привести к колебаниям ставок. Азиатско-Тихоокеанский регион является важным центром производства сапфировых пластин, при этом Тайвань занимает значительную долю рынка, а Китай наращивает местное производство.

Высокие цены на производство являются основным ограничением на рынке сапфира, вытекающим из значительных капитальных затрат на специализированное оборудование для разработки, энергоемкого характера процедур и спроса на высококвалифицированный персонал. Обработка и полировка невероятно твердого сапфирового продукта дополнительно вносят значительный вклад в стоимость конечного элемента. Сырье, высокочистый оксид алюминия (HPA или AL2O3), представляет собой кристаллическую форму оксида алюминия. Хотя HPA составляет всего около 10% от полной стоимости производства були, его чистота важна для оптических приложений. Существует расширяющаяся тенденция в направлении снижения рисков цепочек поставок и подчеркивания устойчивых методов производства, при этом некоторые компании концентрируются на «экологически чистом» сапфире, расширенном с использованием возобновляемых источников ресурсов. Автоматизированные системы обеспечения качества внедряются на ранних этапах производственной цепочки, чтобы минимизировать неизвестные и материальные расходы. Кроме того, ожидается, что недавние пошлины США на импортные сапфировые подложки повлияют на глобальные цепочки поставок и структуры затрат.

Методы выращивания кристаллов:

• Метод Киропулоса (Кентукки): Эта технология включает погружение затравочного кристалла в ванну с жидким глиноземом в тигле. Тигель медленно поднимается вверх при вращении, что позволяет глинозему укрепиться и развить большую булю. Технология KY известна тем, что позволяет получать большие, высококачественные сапфировые були с довольно небольшим количеством проблем и считается доступной и эффективной. Тем не менее, существенным препятствием является нестабильная скорость роста, вызванная изменениями в теплообмене, что требует вялых цен на рост, чтобы избежать внутренних проблем. К 2017 году KY фактически произвела були весом до 350 кг с возможностью производства субстратов размером 300 мм. В 2009 году буля весом 200 кг была эффективно расширена с использованием усовершенствованной технологии KY. Проблема рассеяния, характерная для кристаллов, выращенных с помощью KY, может иметь место, однако ее можно избежать, настроив выпуклость интерфейса. Круглая ось булей KY обычно перпендикулярна расположению, необходимому для осаждения GaN на светодиодные подложки. Подход KY лидировал на рынке по прибыли в 2023 году благодаря своей способности эффективно создавать большие высококачественные були. Процесс разработки включает уникальные фазы: затравку, взятие, разработку эквивалентного размера, отжиг и охлаждение. Существенным преимуществом является то, что кристалл остается в тигле без контакта с поверхностью стенки во время роста, что минимизирует тепловое напряжение.
• Метод теплообменника (HEM): HEM — это стратегия разработки кристаллов, которая использует точный контроль температуры в тигле, часто с возможностью отжига кристалла на месте перед охлаждением. HEM использовался для выращивания более крупных кристаллов, с записями кристаллов до 34 сантиметров в диаметре и 65 кг, и планами по масштабированию до размера 50 см. Были запущены в производство були размером 30 кг, 25 сантиметров. HEM фактически продемонстрировал полезность расширения (0001) позиционирования булей, что очень важно для производства более крупных сапфировых деталей для оптических приложений без двулучепреломления. Метод фактически также был адаптирован как метод «распределения инвестиций» для расширения сложных сапфировых деталей непосредственно из оттаивания. Вариант, называемый Incorporated Warmth Extraction System (CHES), использует более сложный подход к управлению скоростью разработки посредством вертикального перемещения тигля, аналогично методу Бриджмена, и создал кристаллы диаметром около 250 мм. Возможным дефектом кристаллов, выращенных методом HEM, является четкая полоса, называемая «молочным дефектом». Значительным преимуществом HEM является возможность использования тигля для нескольких циклов разработки, что приводит к снижению эксплуатационных расходов по сравнению с другими стратегиями. Були, выращенные методом CHES, могут достигать коэффициентов использования продукта до 80%.
• Рост пленки с заданным краем (EFG): EFG включает выращивание сапфира из молибденовых матриц. Этот метод позволяет производить сапфир в различных формах, включая пластины, трубки и дуги. Сапфир EFG легко доступен в больших размерах пластин, таких как 304 мм x 508 мм. Это позволяет разрабатывать изначально большие окна. EFG обеспечивает быструю скорость разработки, доступность и возможность расширять несколько элементов одновременно. Самая длинная постоянная оптическая нить, выращенная EFG, составляла около 16 футов. Сапфировая нить EFG может выдерживать температуры, превышающие коэффициент плавления стандартного оптического волокна, устойчива к ржавчине и пропускает в инфракрасном диапазоне. Тем не менее, кристаллы, выращенные EFG, могут страдать от таких проблем, как пузырьки, границы зерен и дислокации. Хотя плотность смещения в некоторых специализированных методах EFG ниже, чем в обычных EFG, масштабирование приблизительно больших размеров (например, окон размером 1 метр на 1 метр) остается проблемой как для EFG, так и для методов выращивания булей.

Факторы, влияющие на цену, и технические трудности: .

Ряд элементов увеличивают высокую стоимость оптического сапфира. Выбор материала тигля имеет решающее значение; вольфрамовые тигли обычны в технике KY, в то время как молибден обычно используется для HEM. Молибденовые тигли обычно проходят только один цикл разработки в процессе HEM, в том числе и в цене. Методы домашнего отопления также различаются: KY обычно использует горелку из тугоплавкого металла (вольфрама) в вакууме, а HEM использует графитовые нагреватели в среде аргона.

Ориентация кристалла во время разработки значительно влияет на использование продукта и цену. Выращивание кристаллов сапфира с осью C может обеспечить более 60% использования були, в отличие от 35-40% для стандартных кристаллов с осью a, и обеспечивает около 50% экономии затрат на электроэнергию на килограмм расширенного кристалла.

Формирование проблем, включая смещения, пузыри и «молочный дефект», является существенной технологической проблемой, которая влияет на оптические и механические свойства конечного кристалла. Точный контроль скорости роста имеет важное значение для создания высококачественных кристаллов, фактор, в котором процедура Чохральского (хотя и не описана для больших оптических булей) известна своими возможностями. Надежный тепловой мониторинг в ходе разработки и охлаждения также имеет решающее значение для уменьшения беспокойства и образования дефектов.

Вкратце, производство оптического сапфира подразумевает сложные и дорогие методы разработки кристаллов. Хотя такие методы, как KY и HEM, предпочтительны для больших булей, а EFG для определенных форм, каждый из них представляет трудности, связанные с контролем дефектов, безопасностью роста цен и применением материалов. Высокие капиталовложения, энергопотребление и стоимость сырья и обработки добавляют сапфиру премиальную цену по сравнению с оптическим стеклом. Непрерывные исследования концентрируются на улучшении методов роста, снижении дефектов, оптимизации применения материалов и проверке более экономически эффективных и устойчивых методов производства.

Расширенные технические характеристики и системная ассимиляция.

Интеграция сапфировых элементов в сложные оптические системы требует глубокого понимания их передовых технологических требований и тщательного учета таких факторов, как натяжение и контроль двулучепреломления.

Подробные технические характеристики:

• Кривые передачи: Хотя некоторые кривые не были предложены, широкий диапазон пропускания от примерно 150 нм до 5,5 мкм является важной спецификацией. Конкретная часть пропускания варьируется в зависимости от длины волны, толщины продукта и отделки поверхности. Высокочистые сорта необходимы для глубокого пропускания УФ-излучения. Антибликовые (AR) отделки обычно наносятся для улучшения пропускания в определенных диапазонах длин волн, таких как 400-1100 нм или 2000-5000 нм.

• Варианты показателя преломления: Показатель преломления сапфира является функцией длины волны, уровня температуры (dn/dT) и напряжения (dn/dP). Хотя конкретные значения для dn/dT и dn/dP не были даны, эти зависимости имеют важное значение для создания высокоточных оптических систем, работающих в различных экологических условиях. Уравнения Селлмейера используются для проектирования показателя преломления как характеристики длины волны.

• Требования к качеству поверхности: Качество поверхности чрезвычайно важно для оптической эффективности, особенно востребованных приложений, таких как мощные лазеры или системы визуализации. Ключевые требования включают в себя царапины-копания, монотонность и параллельность.
• Скретч-копание: Эти требования оценивают допустимые поверхностные дефекты. Обычно используются такие критерии, как MIL-PRF-13830B, MIL-F-48616 и MIL-C-48497. MIL-PRF-13830B использует двухчисловую систему (например, 60-40), где первое число относится к максимальному размеру царапины в микронах, а второе указывает оптимальный диаметр царапины в сотых долях миллиметра. Меньшие числа обозначают более высокое качество, при этом «0-0» обозначает очень царапины-царапины, дополняющие поверхности. Царапина определяется как дефект, размер которого значительно превышает ее ширину, в то время как царапина — это дефект в виде ямки с примерно эквивалентной длиной и размером. В стандарте ISO 10110 обычно используются другие символы, такие как «5/2 × 0,004», указывающие максимальную ширину царапины, разнообразие царапин и оптимальный размер царапины в миллиметрах. Обычные значения царапин/вмятин варьируются от 80/50 для базовой оптики до 20/10 или ниже для высокоточных элементов. Если присутствует царапина максимального размера, ее размер обычно ограничен 1/4 диаметра оптики. Вмятины со спецификацией 10 должны быть разделены по крайней мере на 1 мм, а действительно крошечные вмятины (размером менее 2,5 мкм) могут быть пропущены.
• Плоскостность: Плоскостность или неровность поверхности определяет отклонение поверхности от идеального самолета, обычно указываемое в долях длины волны (λ). Например, λ/ 20 при 633 нм показывает максимальное отклонение 31,65 нм. Качества монотонности варьируются от 1 λ для стандартного качества до λ/ 8 или меньше для высокой точности. Интерферометрия является распространенным методом проверки монотонности поверхности путем оценки картин возмущений.
• Сходство: Подобие определяет, насколько идентичны обе поверхности оптического аспекта. Высокая параллельность жизненно важна для минимизации искажений в отраженном волновом фронте.
• Шероховатость поверхности: Шероховатость поверхности — еще один важный аспект высокого качества поверхности, особенно для минимизации рассеивания и предотвращения лазерного повреждения. Ее можно измерить с помощью таких показателей, как средняя амплитуда шероховатости и предельная амплитуда пик-впадина.

Факторы системной интеграции, которые следует учитывать:

• Размещение стресса и беспокойства: В связи с высокой прочностью и хрупкостью сапфира необходимо внимательно отнестись к стратегиям установки, чтобы избежать возникновения стресса и беспокойства, которые могут привести к трещинам или повлиять на оптическую эффективность. Методы монтажа должны учитывать разницу в тепловом расширении между сапфиром и корпусом в диапазоне рабочих температур.
• Платеж за двупреломление: Двулучепреломление сапфира может быть существенным фактором в системах, где критически важны контроль поляризации или стабильность волнового фронта. В то время как использование ориентированного в C-плоскости сапфира уменьшает двулучепреломление для света, распространяющегося вдоль оптической оси, внеосевые лучи все равно будут испытывать двулучепреломление. В системах, требующих высокой чистоты поляризации или предельного искажения волнового фронта для всех лучей, могут потребоваться такие методы, как использование составных оптических элементов (например, волновых пластин, изготовленных из продукта с противоположными характеристиками двулучепреломления) или создание системы для уменьшения угла падения на поверхность сапфира. Для приложений, где управляется двулучепреломление, например, в волновых пластинах, необходим точный контроль ориентации кристалла.
• Проблемы с продуктом: Внутренние проблемы материала, такие как дефекты решетки, примеси и добавки (например, пузырьки или молочные проблемы), могут влиять на оптическую эффективность, вызывая распространение, поглощение или запуск лазерно-индуцированных повреждений, особенно в приложениях высокой мощности. Определение идеальных марок материалов и уровней высокого качества на основе чувствительности приложения к этим проблемам имеет жизненно важное значение.
• Оптика пылесоса: При включении сапфировых окон в системы пылесосов следует учитывать дополнительные переменные, помимо оптической эффективности. К ним относятся тип и размер фланца, способность установки окна поддерживать честность пылесоса при определенных нагрузках и температурных диапазонах, устойчивость к радиации и ржавчине в условиях вакуума, электрические и магнитные свойства жилых или коммерческих объектов, а также очень малое выделение газа из сапфира и материалов для установки.
• Компромиссы между стоимостью и производительностью: Чрезмерное указание качества поверхности или различных других технических характеристик сверх того, что необходимо для требуемой производительности приложения, может значительно увеличить стоимость. Глубокое понимание того, как именно каждая спецификация влияет на эффективность системы, имеет жизненно важное значение для создания экономичных вариантов проектирования.

Наконец, интеграция оптического сапфира в сложные системы требует осознанного внимания к его особым местам и всесторонним требованиям. Помимо основных оптических и физических характеристик, необходимо тщательно изучить такие факторы, как ориентация кристалла, требования к качеству поверхности, соображения по монтажу и потенциальное влияние двулучепреломления и дефектов продукта, чтобы обеспечить оптимальную производительность и надежность системы, особенно в сложных рабочих условиях.