Chineselens Optics sẽ là nhà sản xuất sản phẩm quang học đáng tin cậy nhất của bạn trong 10 năm tới

Giới thiệu về Sapphire quang học

Giới thiệu về Sapphire quang học

cửa sổ quang học sapphire

Sapphire quang học là một loại oxit nhôm (AL2O3) nhân tạo, rất tinh khiết, được chế tạo đặc biệt cho các ứng dụng quang học, cơ học và nhiệt đòi hỏi khắt khe. Đây là một vật liệu tinh thể, về cơ bản khác biệt với kính quang học vô định hình, không có đặc tính trật tự nguyên tử tầm xa của tinh thể. Trong khi sapphire hoàn toàn tự nhiên tồn tại và được coi là đá quý, sapphire quang học tổng hợp được mở rộng trong điều kiện được kiểm soát để đạt được độ tinh khiết cao và sự xuất sắc về mặt kiến ​​trúc cần thiết cho các ứng dụng công nghệ. Do đó, thuật ngữ "kính ngọc trai" là một cách gọi sai, vì sapphire sở hữu một khung lưới tinh thể, không giống như mặt phẳng nguyên tử hỗn loạn được tìm thấy trong thủy tinh.

Sự khác biệt quan trọng giữa các chất rắn kết tinh như sapphire và các chất rắn vô định hình như thủy tinh phụ thuộc vào sơ đồ nguyên tử của chúng. Các sản phẩm tinh thể cho thấy một hệ thống mạng lưới có trật tự cao, trùng lặp kéo dài trong toàn bộ sản phẩm. Trật tự tích hợp này quyết định hầu hết các đặc tính đặc biệt của sapphire, bao gồm độ cứng vượt trội, hệ số nóng chảy cao và các thuộc tính quang học cụ thể. Các sản phẩm tinh thể duy trì cấu trúc không linh hoạt cho đến khi chúng đạt đến mức nhiệt độ nóng chảy đặc biệt, sắc nét. Ngược lại, các vật liệu vô định hình, chẳng hạn như thủy tinh quang học, có vị trí nguyên tử ngẫu nhiên mà không có trật tự tầm xa. Thủy tinh thường được coi là chất lỏng siêu lạnh, với độ dày thay đổi dần theo nhiệt độ thay vì có điểm nóng chảy cố định. Một ví dụ điển hình cho thấy sự khác biệt này là silicon dioxide (SiO2), có thể tồn tại dưới dạng thủy tinh thạch anh nóng chảy vô định hình hoặc thạch anh tinh thể.

Cấu trúc tinh thể của sapphire là lục giác/hình thoi. Khung dị hướng này ngụ ý rằng một số tính chất dân dụng của nó, bao gồm các đặc điểm quang học và cơ học, phụ thuộc vào hướng tinh thể. Các hướng khác nhau, chẳng hạn như mặt phẳng C, mặt phẳng A, mặt phẳng R và mặt phẳng M, được sử dụng tùy thuộc vào nhu cầu ứng dụng cụ thể. Sapphire mặt phẳng C, trong đó trục quang học của tinh thể vuông góc với bề mặt, thường được ưa chuộng trong các ứng dụng quang học để giảm thiểu kết quả của hiện tượng lưỡng chiết. Các vị trí ngẫu nhiên có thể được sử dụng cho các ứng dụng ít quan trọng hơn. Mối quan hệ góc giữa trục quang học và diện tích bề mặt của bộ phận được gọi là sự căn chỉnh của nó.

Lịch sử sản xuất sapphire nhân tạo đã có từ hơn một thế kỷ trước. Quy trình Verneuil, do Auguste Verneuil tạo ra vào năm 1902, là kỹ thuật đầu tiên để sản xuất hàng loạt đá quý tổng hợp bằng phương pháp nung chảy bằng ngọn lửa. Mặc dù theo truyền thống là đáng kể, nhưng chất lượng đạt được theo quy trình Verneuil nhìn chung không đủ cho các ứng dụng quang học và kỹ thuật số có độ chính xác cao hiện đại. Các kỹ thuật tiên tiến, chẳng hạn như phương pháp Czochralski và Edge-defined Film-fed Growth (EFG), đã được tạo ra để tạo ra các tinh thể lớn hơn, đồng nhất hơn với ít vấn đề hơn, phù hợp với các tấm bán dẫn và các thành phần quang học cao cấp. Trong Thế chiến II, quy trình Verneuil được thực hiện đặc biệt tại Hoa Kỳ để tạo ra ổ trục chân kính cho các công cụ chính xác khi các tuyến cung cấp của Châu Âu bị gián đoạn.

Sapphire nguyên chất không màu. Khả năng nhìn thấy tạp chất có thể làm sapphire bị tối màu và thay đổi đáng kể các tính chất cơ học, nhiệt và quang học của nó. Ví dụ, các khuyết tật oxy xuất hiện trong suốt quá trình phát triển tinh thể có thể dẫn đến sự hấp thụ ánh sáng, đặc biệt là trong phạm vi UV khoảng 200 nm (được gọi là tâm F). Sapphire có ít vấn đề về oxy hơn có thể truyền ánh sáng đến khoảng 150 nm. Sapphire tổng hợp được đánh giá dựa trên ứng dụng dự định của nó, với các chất lượng cao hơn cho thấy rất ít sự tán xạ ánh sáng và biến dạng mạng tinh thể cho các mục đích sử dụng quang học đòi hỏi khắt khe, trong khi các chất lượng thấp hơn với nhiều khuyết điểm hơn phù hợp cho các ứng dụng cơ học. Sapphire cấp UV được xử lý đặc biệt để tránh bị năng lượng mặt trời chiếu vào khi tiếp xúc với ánh sáng UV. Các ví dụ về chất lượng bao gồm Chất lượng 1 (truyền quang đáng chú ý), Cấp 2 (độ trong quang học cao) và Chất lượng cơ học (độ cứng cao và khả năng chống sử dụng).

So sánh các đặc điểm quang học và vật lý

Đá sapphire quang học sở hữu sự kết hợp độc đáo giữa các tính chất quang học và vật lý giúp nó khác biệt so với kính thị giác thông thường và trở thành vật liệu cơ bản cho các phương pháp điều trị hiệu suất cao.

Nhà ở quang học:

  • Biến thể hộp số: Trong số những lợi ích thị giác quan trọng nhất của sapphire là phạm vi truyền dẫn cực kỳ rộng. Nó truyền ánh sáng đến từ vùng cực tím (UV) biển xanh thẳm, bắt đầu từ khoảng 150-170 nm (tùy thuộc vào mức độ cũng như độ tinh khiết), với hình cầu biểu kiến ​​và vào vị trí hồng ngoại giữa (MWIR), thường là khoảng 5,5 μm (5500 nm). Một số nguồn cho rằng giới hạn trên là 4,5 μm. Cửa sổ mở lớn này khiến sapphire phù hợp với các ứng dụng đòi hỏi hộp số trong nhiều dải ma quái khác nhau, không giống như nhiều loại kính thực tế chủ yếu được tạo ra cho vùng khả kiến ​​hoặc gần IR. Ví dụ, kính vương miện borosilicate thông thường như BK7 chuyển từ khoảng 350 nm đến 2000 nm, khiến nó không phù hợp với các phương pháp xử lý UV sâu hơn. Silica hợp nhất cung cấp phạm vi rộng hơn (khoảng 210-4000 nm) nhưng vẫn kém hơn hộp số UV sâu và MWIR mở rộng của sapphire. Germanium, trong khi được sử dụng trong IR, thực sự không trong suốt trong cả ánh sáng nhìn thấy và tia cực tím. Độ truyền dẫn cao hơn của Sapphire có thể được tăng cường hơn nữa với lớp phủ chống phản xạ (AR), đạt tới 99% độ truyền dẫn trong các lựa chọn bước sóng chi tiết. Sapphire cũng không bị tối UV, một cảm giác phá hủy được nhận thấy ở một số sản phẩm thị giác khi khả năng hiển thị UV kéo dài.
  • Dấu khúc xạ: Sapphire sở hữu chiết suất tương đối cao, tương đương với nhiều loại kính quang học thông thường. Trong quang phổ khả kiến, chiết suất riêng của nó thường vào khoảng 1,76. Ở một bước sóng nhất định như 1,06 μm, chiết suất thực tế xấp xỉ 1,7545. Con số này cao hơn BK7 (khoảng 1,5168 ở 587,6 nm) và silica tích hợp (1,3900 ở 587,6 nm). Dấu hiệu khúc xạ của sapphire, giống như các thành phần khác, phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như ứng suất (dn/dT và dn/dP), mặc dù các giá trị thị trường chi tiết đòi hỏi hồ sơ chuyên biệt hơn.
  • Lưỡng chiết: Là một tinh thể đơn trục, sapphire thể hiện tính lưỡng chiết, cho thấy chiết suất của nó thay đổi theo hướng phân cực và hướng phát sáng quanh trục thị giác (c-). Điều này có thể dẫn đến khúc xạ kép. Dấu khúc xạ truyền thống (Không), đối với phân cực nắng theo chiều dọc với trục c, xấp xỉ bằng 1,768, trong khi chiết suất tuyệt vời (Ne), đối với phân cực nắng song song với trục c, thực tế là khoảng 1,760. Kích thước của tính lưỡng chiết (Ne - Hoàn toàn không) là khoảng 0,008. Trong khi tính lưỡng chiết có thể được sử dụng trong các phương pháp xử lý như tấm sóng, thì nó thường không thuận lợi trong các cửa sổ quang học cũng như thấu kính vì nó có thể làm méo mặt sóng và gây ra các hiệu ứng phụ thuộc vào phân cực. Việc thu thập cẩn thận sự căn chỉnh đá, đặc biệt là sử dụng các vết cắt mặt phẳng C trong đó ánh sáng phân tán dọc theo trục c, có thể dễ dàng làm giảm kết quả lưỡng chiết trong các phần thị giác.
  • Sự khuếch tán: Sự tán xạ của sapphire, mô tả cách chiết suất riêng của nó thay đổi theo bước sóng, có thể được mô tả bằng cách sử dụng các công thức Sellmeier. Mặc dù các giá trị thị trường phân phối cụ thể chắc chắn không được cung cấp trực tiếp, nhưng công thức Sellmeier cho phép ước tính chiết suất trên toàn bộ phạm vi hộp số. Biến thể Abbe, một phép đo phổ biến cho sự khuếch tán trong kính quang học, cho thấy sự tán xạ giảm với giá trị thị trường cao và cũng có sự phân phối đáng kể với giá trị thị trường giảm.

Phẩm chất cơ thể:

  • Độ cứng cũng như độ bền: Sapphire thực sự khó tin, xếp hạng 9 trên thang Mohs, chỉ đứng sau đá quý. Độ cứng Knoop của nó thay đổi từ 1370 đến 2200 kg/mm ​​tùy thuộc vào sự liên kết. Độ rắn chắc khắc nghiệt này làm cho nó rất khó bị trầy xước, mài mòn cũng như hao mòn, một lợi ích quan trọng trong các điều kiện khắc nghiệt. Sapphire cũng sở hữu độ bền nén cao hơn và mô đun dẻo dai cao hơn, mang lại khả năng phục hồi kỹ thuật cao cấp và khả năng chống chịu tác động.
  • Đặc điểm nhiệt: Sapphire cho thấy độ tin cậy nhiệt đặc biệt, giữ nguyên trạng thái cơ học và quang học của riêng nó trong suốt quá trình biến đổi nhiệt độ lớn, từ nhiệt độ đông lạnh khoảng hơn 1800 ° C, cùng với khía cạnh nóng chảy khoảng 2053 ° C (3727 ° F). Năng lượng nhiệt của riêng nó thực sự cao hơn hầu hết các thành phần trực quan khác và chất điện môi, giúp tản nhiệt, rất quan trọng trong các yêu cầu nhiệt độ cao hoặc thậm chí công suất cao. Sapphire cũng minh họa khả năng bảo vệ chống sốc nhiệt, tránh hư hỏng diện tích hoặc tan rã trong quá trình thay đổi mức nhiệt độ nhanh. Hệ số tăng trưởng nhiệt của riêng nó thực sự tương đối thấp, khoảng 8,8 x 10 ⁻⁶/ ° C. * Tính trơ về mặt hóa học: Sapphire thực sự thụ động về mặt hóa học và cũng miễn nhiễm với hầu hết các dung môi, axit và kiềm ở nhiệt độ phòng. Trong khi một số quá trình khắc có thể dễ dàng đi kèm với axit photphoric ấm và chất ăn mòn mạnh trên 600-800 ° C, khả năng chống chịu tiêu chuẩn của riêng nó khiến nó rất phù hợp với môi trường hóa chất có tính axit, nơi mà nhiều loại kính nhìn chắc chắn sẽ bị yếu đi.
  • Bất động sản điện: Sapphire thực sự là một chất cách điện đặc biệt cùng với điện trở suất lớn và hằng số điện môi cao hơn. Những đặc tính này có lợi trong các ứng dụng đòi hỏi sự cô lập nguồn điện.

Bàn đánh giá: Kính Sapphire so với Kính quang học thông thường

Tài sảnSapphire quang học (Al₂O₃)Kính BK7 (Borosilicate)Silica nóng chảy (SiO₂)Germanium (Ge)
Cấu trúc nguyên tửTinh thể (Mạng lưới có trật tự)Vô định hình (Rối loạn)Vô định hình (Rối loạn)Tinh thể (Kim cương khối)
Phạm vi quang phổ150 nm – 5,5 μm (UV đến MWIR)350 nm – 2,0 μm (Vis đến NIR)210 nm – 4,0 μm (UV đến MIR)1,8 μm – 12 μm (IR)
Chiết suất~1,76 (Có thể nhìn thấy), 1,7545 (1,06 μm)1,5168 (587,6 nm)1,3900 (587,6 nm)~4.0 (Hồng Kông)
Lưỡng chiếtCó (Đơn trục, phụ thuộc vào hướng)Không (Đẳng hướng)Không (Đẳng hướng)Không (Đẳng hướng)
Độ cứng (Mohs)9 (Chỉ đứng sau kim cương)~6~7~6
Điểm làm mềm~2053°C~1000°C~1650°C~938°C
Độ ổn định nhiệtTuyệt vời (-200°C đến >1800°C)Tốt (Hạn chế bởi sự làm mềm)Tốt (Hạn chế bởi sự làm mềm)Tốt (Hạn chế bởi sự làm mềm)
Kháng hóa chấtTuyệt vời (Chịu được axit/kiềm ở nhiệt độ phòng)Trung bình (Nhạy cảm với một số axit)Tuyệt vời (Chống lại hầu hết các loại hóa chất)Trung bình (Phản ứng với axit/bazơ mạnh)
Làm tối bằng tia UVMiễn dịchDễ bị tổn thươngMiễn dịchKhông có (Không trong suốt dưới tia UV)
Chi phí tương đốiCaoThấpVừa phảiCao (đối với cấp độ quang học)

So sánh này làm nổi bật những lợi thế của sapphire liên quan đến độ rắn chắc, khả năng bảo vệ nhiệt và hóa học, và hộp số quang phổ mở rộng, đặc biệt là trong tia cực tím sâu và MWIR kéo dài, nơi nhiều loại kính quang học bị hạn chế. Tuy nhiên, khả năng lưỡng chiết và giá cao hơn của nó là những yếu tố cần xem xét trong kiểu dáng đơn vị.

Ứng dụng và ngữ cảnh hiệu suất

đĩa sapphire

Sự kết hợp phi thường giữa các đặc tính quang học và vật lý trong nhà ở hoặc thương mại khiến sapphire trở thành vật liệu được lựa chọn cho nhiều ứng dụng đòi hỏi khắt khe mà kính quang học thông thường sẽ không hoạt động được. Khả năng chịu được khí quyển khắc nghiệt của nó là động lực chính để sử dụng trong các hệ thống quang học chuyên dụng.

  • Cửa sổ và mái vòm cho môi trường khắc nghiệt: Độ rắn chắc tuyệt vời của Sapphire (9 trên thang Mohs) và khả năng chống trầy xước rất quan trọng trong các bầu khí quyển có nhiều mảnh vỡ khó chịu, chẳng hạn như các ứng dụng hàng không vũ trụ tốc độ cao chạy vào cát và bụi bẩn, hoặc các hệ thống dưới nước tiếp xúc với biển sâu và trầm tích. Độ bền nén và khả năng chống ứng suất cao của nó cho phép nó được sử dụng trong tàu lặn biển sâu và ô tô an ninh dưới nước, với các mái vòm quang học có khả năng chịu được ứng suất khoảng 10.000 psi. Tính trơ về mặt hóa học của sản phẩm đảm bảo hiệu suất trong các bầu khí quyển có tính hủy diệt, trong khi tính an toàn ở nhiệt độ cao (mảng hoạt động từ -200 ° C đến +1000 ° C và cân bằng đến 2030 ° C) khiến nó trở nên hoàn hảo cho các cửa sổ hệ thống sưởi ấm, cửa sổ quan sát trong buồng máy hút bụi và môi trường plasma nhiệt độ cao. Khả năng chống sốc nhiệt của Sapphire càng làm tăng thêm độ tin cậy của nó trong các ứng dụng có mức nhiệt độ thay đổi nhanh chóng.
  • Hàng không vũ trụ và Quốc phòng: Trong hàng không vũ trụ, cửa sổ và mái vòm bằng ngọc trai được sử dụng trong các hệ thống dẫn đường tên lửa tốc độ cao, cột ảnh phong cảnh và hệ thống gimbal vì khả năng chịu được các điều kiện khắc nghiệt của tốc độ cao và tiếp xúc với các khía cạnh sinh thái. Khả năng chống bức xạ, ngăn chặn quá trình năng lượng mặt trời hóa trong các hệ thống bức xạ cao, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng trong không gian và hạt nhân.
  • Hệ thống Laser: Cửa sổ Sapphire đóng vai trò là thành phần an toàn trong nhiều loại laser, có khả năng chịu được mật độ công suất laser cao mà không bị hư hại. Chất lượng bề mặt đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng laser, vì các lỗi có thể gây ra hư hỏng do laser gây ra. Dung sai chất lượng bề mặt chặt chẽ hơn thường được yêu cầu đối với laser UV do sự phân tán tăng cường.
  • Cửa sổ quan sát công nghiệp: Cửa sổ Sapphire thường được sử dụng làm cửa sổ quan sát trong buồng máy hút bụi và các thiết lập bao gồm plasma nhiệt độ cao do khả năng chống lại sự chênh lệch nhiệt độ và chênh lệch ứng suất khắc nghiệt.
  • Ứng dụng y tế: Độ trong quang học, tính trơ về mặt hóa học, khả năng chống trầy xước và khả năng tương thích sinh học của Sapphire khiến nó trở nên lý tưởng cho nhiều ứng dụng y tế khác nhau, bao gồm hình ảnh y tế, laser, phân tích sinh hóa và robot phẫu thuật.
  • Ngành công nghiệp bán dẫn: Mặc dù không hoàn toàn là ứng dụng quang học trong mọi tình huống, sapphire được sử dụng rộng rãi làm chất nền để phát triển gali nitride (GaN) trong sản xuất đèn LED độ sáng cao và điốt laser.
  • Đồ điện tử tiêu dùng: Khả năng chống trầy xước của Sapphire đã khiến nó được sử dụng trong tinh thể đồng hồ và đôi khi là sản phẩm bảo vệ cho máy ảnh điện tử và màn hình hiển thị của thiết bị thông minh, mặc dù chi phí vẫn là yếu tố đáng kể hạn chế việc áp dụng rộng rãi hơn trong ngành này.
  • Nhiều ứng dụng khác: Sapphire cũng được sử dụng trong máy quét mã UPC nhờ bề mặt đàn hồi, chống trầy xước và trong hệ thống quang phổ FTIR và hình ảnh FLIR.

Ngược lại với kính quang học, sapphire sử dụng hiệu suất đặc biệt trong các ứng dụng đòi hỏi độ cứng cực cao, khả năng chịu nhiệt độ cao, truyền phổ rộng (cụ thể là trong UV và MWIR) và trơ về mặt hóa học. Trong khi kính quang học như BK7 và silica nóng chảy có giá cả phải chăng và phù hợp với một số ứng dụng khả kiến ​​và gần IR, chúng lại không có độ bền và dải quang phổ kéo dài như sapphire. Silica hợp nhất thường được coi là một giải pháp thay thế thực tế trong một số ứng dụng đòi hỏi khắt khe, tuy nhiên sapphire thường mang lại hiệu quả đáng kể, mặc dù chi phí cao hơn. Việc lựa chọn giữa sapphire và kính quang học là sự đánh đổi giữa nhu cầu về hiệu suất, điều kiện môi trường và các yếu tố về giá cần cân nhắc.

Quy trình sản xuất, lợi nhuận và tác động của chi phí

tấm sapphire

Việc sản xuất các khối sapphire quang học lớn, cao cấp và các bộ phận quang học chính xác là một quá trình phức tạp và tốn nhiều năng lượng, góp phần đáng kể vào chi phí sản phẩm cao hơn so với kính quang học sản xuất hàng loạt. Một số phương pháp phát triển tinh thể được sử dụng, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm, thách thức và ảnh hưởng riêng đến lợi nhuận và giá cả.

Thị trường sapphire nhân tạo là một ngành công nghiệp đang mở rộng, dự kiến ​​đạt 10,1 tỷ đô la Mỹ vào năm 2033 từ 5,2 tỷ đô la Mỹ vào năm 2023, với CAGR là 6,8%. Các ứng dụng chính thúc đẩy sự tăng trưởng này bao gồm đèn LED độ sáng cao, chất nền bán dẫn, bộ phận quang học và thiết bị điện tử tiêu dùng. Trong khi sapphire hiện đang thống trị thị trường chất nền LED độ sáng cao, các sản phẩm khác nhau như silicon (Si), silicon carbide (SiC) và gali nitride trên silicon (GaN-on-Si) đang giành được thị phần. Nhu cầu bị ảnh hưởng bởi các thiết bị điện tử tiêu dùng, thị trường ô tô (cụ thể là sự phát triển của thị trường đèn LED ô tô do việc áp dụng EV) và sự thay đổi rộng rãi hơn đối với đèn LED. Thặng dư trên thị trường điện tử tiêu dùng có thể dẫn đến sự thay đổi về giá. Châu Á - Thái Bình Dương là một trung tâm quan trọng để sản xuất tấm wafer sapphire, với Đài Loan nắm giữ thị phần đáng kể và Trung Quốc đang tăng sản lượng tại địa phương.

Giá sản xuất cao là một hạn chế chính trên thị trường sapphire, xuất phát từ chi phí vốn đáng kể cho thiết bị phát triển chuyên dụng, bản chất tiêu tốn nhiều năng lượng của các quy trình và nhu cầu về nhân sự có tay nghề cao. Gia công và đánh bóng sản phẩm sapphire cực kỳ cứng cũng góp phần đáng kể vào chi phí thành phần cuối cùng. Nguyên liệu thô, alumina có độ tinh khiết cao (HPA hoặc AL2O3), là dạng tinh thể của alumina. Mặc dù HPA chỉ chiếm khoảng 10% tổng giá thành sản xuất khối, nhưng độ tinh khiết của nó rất quan trọng đối với các ứng dụng quang học. Có một xu hướng ngày càng mở rộng theo hướng giảm rủi ro cho chuỗi cung ứng và nhấn mạnh vào các phương pháp sản xuất bền vững, với một số công ty tập trung vào sapphire "thân thiện với môi trường" được mở rộng bằng cách sử dụng các nguồn tài nguyên tái tạo. Các hệ thống đảm bảo chất lượng tự động đang được thực hiện ngay từ đầu chuỗi sản xuất để giảm thiểu các yếu tố chưa biết và chi phí vật liệu. Thuế quan gần đây của Hoa Kỳ đối với các chất nền sapphire nhập khẩu cũng được dự đoán sẽ ảnh hưởng đến chuỗi cung ứng toàn cầu và cơ cấu chi phí.

sơ đồ tinh thể sapphire

Phương pháp phát triển tinh thể:

  • Phương pháp Kyropoulos (KY): Kỹ thuật này bao gồm việc nhúng một tinh thể hạt giống vào bồn alumina hóa lỏng bên trong một chiếc nồi nấu chảy. Chiếc nồi nấu chảy được kéo từ từ lên trong khi quay, cho phép alumina được gia cố và phát triển thành một khối lớn. Kỹ thuật KY được công nhận là tạo ra những khối sapphire lớn, cao cấp với khá ít vấn đề và được coi là giá cả phải chăng và hiệu quả. Tuy nhiên, một trở ngại đáng kể là tốc độ phát triển không ổn định do những thay đổi trong quá trình trao đổi nhiệt, đòi hỏi tốc độ tăng trưởng chậm để tránh các vấn đề bên trong. Đến năm 2017, KY đã thực sự tạo ra những khối nặng tới 350 kg, với khả năng tạo ra các chất nền có kích thước 300 mm. Năm 2009, một khối 200 kg đã được mở rộng hiệu quả bằng cách sử dụng kỹ thuật KY nâng cao. Một vấn đề tán xạ đặc biệt đối với các tinh thể được trồng bằng KY có thể xảy ra nhưng có thể tránh được bằng cách tùy chỉnh độ lồi của giao diện. Trục tròn của các khối KY thường vuông góc với vị trí cần thiết để lắng đọng GaN trên các chất nền LED. Phương pháp KY dẫn đầu thị trường về thu nhập vào năm 2023 do khả năng tạo ra những viên bi lớn, chất lượng cao một cách hiệu quả. Quy trình phát triển bao gồm các giai đoạn độc đáo: gieo hạt, tiếp nhận, phát triển kích thước tương đương, ủ và làm mát. Một lợi thế thiết yếu là tinh thể nằm trong nồi nấu mà không tiếp xúc với bề mặt thành trong quá trình phát triển, giảm thiểu sức căng nhiệt.
  • Phương pháp trao đổi nhiệt (HEM): HEM là một chiến lược phát triển tinh thể sử dụng kiểm soát nhiệt độ chính xác bên trong một nồi nấu, thường có khả năng ủ tinh thể tại chỗ trước khi làm mát. HEM đã được sử dụng để phát triển các tinh thể lớn hơn, với hồ sơ về các tinh thể có đường kính lên tới 34 cm và 65 kg, và các kế hoạch mở rộng lên đến kích thước 50 cm. Các khối tròn có kích thước 30 kg, 25 cm đã được đưa vào sản xuất. HEM đã chứng minh được tính hữu ích của việc mở rộng các khối tròn định vị (0001), điều này rất quan trọng để sản xuất các bộ phận sapphire lớn hơn cho các ứng dụng quang học không có lưỡng chiết. Phương pháp này cũng đã được điều chỉnh thành một kỹ thuật "phân tán đầu tư" để mở rộng các bộ phận sapphire phức tạp trực tiếp từ quá trình tan băng. Một biến thể được gọi là Hệ thống chiết xuất nhiệt tích hợp (CHES) sử dụng một phương pháp tinh vi hơn để quản lý tốc độ phát triển thông qua chuyển động tịnh tiến của nồi nấu theo chiều dọc, tương tự như phương pháp Bridgman và đã tạo ra các tinh thể có đường kính khoảng 250 mm. Một khiếm khuyết có thể xảy ra trong các tinh thể được phát triển bằng HEM là một dải rõ ràng được gọi là "khuyết tật sữa". Một lợi ích chi phí đáng kể của HEM là khả năng sử dụng lò nung cho nhiều lần phát triển, dẫn đến chi phí vận hành thấp hơn so với các chiến lược khác. Boules được sản xuất bằng kỹ thuật CHES có thể đạt tỷ lệ sử dụng sản phẩm lên đến 80%.
  • Tăng trưởng nuôi cấy màng định hình cạnh (EFG): EFG liên quan đến việc phát triển sapphire từ khuôn molypden. Phương pháp này có khả năng sản xuất sapphire ở nhiều dạng khác nhau, bao gồm tấm, ống và cung. Sapphire EFG có sẵn ở các kích thước tấm lớn, chẳng hạn như 304 mm x 508 mm. Điều này cho phép phát triển các cửa sổ lớn vốn có. EFG cung cấp tốc độ phát triển nhanh, giá cả phải chăng và khả năng mở rộng nhiều mục cùng một lúc. Sợi quang không đổi dài nhất do EFG phát triển là khoảng 16 feet. Sợi sapphire EFG có thể chịu được nhiệt độ cao hơn hệ số nóng chảy của sợi quang tiêu chuẩn, chống gỉ và truyền vào phạm vi hồng ngoại. Tuy nhiên, các tinh thể được phát triển bằng EFG có thể gặp phải các vấn đề như bong bóng, đường viền hạt và sự sai lệch. Mặc dù mật độ sai lệch trong một số kỹ thuật EFG tùy chỉnh thấp hơn EFG thông thường, việc mở rộng kích thước gần đúng (ví dụ: cửa sổ 1 mét x 1 mét) vẫn là một thách thức đối với cả phương pháp phát triển EFG và boule.

Động lực giá và khó khăn kỹ thuật: .

Một số yếu tố làm tăng chi phí cao của sapphire quang học. Việc lựa chọn vật liệu nồi nấu là rất quan trọng; nồi nấu vonfram phổ biến trong kỹ thuật KY, trong khi molypden thường được sử dụng cho HEM. Nồi nấu molypden thường chỉ trải qua một chu kỳ phát triển trong quy trình HEM, bao gồm cả giá thành. Các kỹ thuật sưởi ấm tại nhà cũng khác nhau, với KY thường sử dụng đầu đốt kim loại chịu lửa (vonfram) trong chân không, và HEM sử dụng lò sưởi graphite trong môi trường khí argon.

Định hướng tinh thể trong quá trình phát triển ảnh hưởng đáng kể đến việc sử dụng sản phẩm và giá cả. Việc phát triển tinh thể sapphire trục C có thể đạt được hơn 60% việc sử dụng boule, trái ngược với 35-40% đối với tinh thể trục a tiêu chuẩn của ngành và cung cấp khoảng 50% tiết kiệm chi phí năng lượng cho mỗi kg tinh thể mở rộng.

Sự hình thành vấn đề, bao gồm sự sai lệch vị trí, bong bóng và "lỗi sữa", là một thách thức công nghệ quan trọng ảnh hưởng đến các đặc tính quang học và cơ học của tinh thể cuối cùng. Kiểm soát chính xác tốc độ tăng trưởng là điều cần thiết để tạo ra các tinh thể cao cấp, một yếu tố mà quy trình Czochralski (mặc dù không được nêu rõ đối với các khối quang học lớn) được ghi nhận về khả năng của nó. Việc theo dõi nhiệt độ đáng tin cậy trong suốt quá trình phát triển và làm mát cũng rất quan trọng để giảm bớt sự lo lắng và hình thành khuyết tật.

Tóm lại, quá trình sản xuất sapphire quang học đòi hỏi các phương pháp phát triển tinh thể phức tạp và đắt tiền. Trong khi các kỹ thuật như KY và HEM được ưa chuộng đối với các viên bi lớn và EFG đối với các hình dạng cụ thể, thì mỗi kỹ thuật đều có những khó khăn liên quan đến kiểm soát khuyết tật, bảo mật giá tăng trưởng và ứng dụng vật liệu. Đầu tư vốn cao, sử dụng điện năng và chi phí nguyên liệu thô và chế biến làm tăng thêm mức giá cao cấp của sapphire so với kính quang học. Nghiên cứu liên tục tập trung vào việc cải thiện các kỹ thuật phát triển, giảm khuyết tật, tối ưu hóa ứng dụng vật liệu và kiểm tra các kỹ thuật sản xuất hiệu quả hơn về chi phí và bền vững hơn.

Thông số kỹ thuật nâng cao và đồng bộ hóa hệ thống.

Việc tích hợp các thành phần sapphire vào hệ thống quang học phức tạp đòi hỏi phải hiểu biết sâu sắc về các yêu cầu công nghệ tiên tiến của chúng và cân nhắc thận trọng các yếu tố như đặt lực căng và theo dõi lưỡng chiết.

Thông số kỹ thuật chi tiết:

  • Đường cong truyền tải: Mặc dù một số đường cong không được cung cấp, nhưng phạm vi truyền rộng từ khoảng 150 nm đến 5,5 μm là thông số kỹ thuật thiết yếu. Phần truyền cụ thể thay đổi theo bước sóng, độ dày sản phẩm và bề mặt hoàn thiện. Các cấp độ tinh khiết cao là cần thiết để truyền tia UV sâu. Hoàn thiện chống phản xạ (AR) thường được áp dụng để tăng cường truyền trong các dải bước sóng cụ thể, chẳng hạn như 400-1100 nm hoặc 2000-5000 nm.

độ truyền sáng của sapphire điển hình

  • Các biến thể của chiết suất: Chiết suất của sapphire là một hàm của bước sóng, mức nhiệt độ (dn/dT) và ứng suất (dn/dP). Mặc dù các giá trị cụ thể cho dn/dT và dn/dP không được đưa ra, nhưng những sự phụ thuộc này là cần thiết để tạo ra các hệ thống quang học có độ chính xác cao hoạt động trong các vấn đề sinh thái khác nhau. Các phương trình Sellmeier được sử dụng để thiết kế chiết suất như một đặc điểm của bước sóng.

chiết suất của sapphire

  • Yêu cầu về chất lượng bề mặt hàng đầu: Chất lượng diện tích bề mặt cực kỳ quan trọng đối với hiệu quả quang học, đặc biệt là các ứng dụng được tìm kiếm như laser công suất cao hoặc hệ thống hình ảnh. Các yêu cầu chính bao gồm đào xước, đơn điệu và song song.
  • Cào-Đào: Yêu cầu này đánh giá các khuyết tật bề mặt được phép. Các tiêu chí như MIL-PRF-13830B, MIL-F-48616 và MIL-C-48497 thường được sử dụng. MIL-PRF-13830B sử dụng hệ thống hai số (ví dụ: 60-40), trong đó số đầu tiên liên quan đến kích thước vết xước tối đa tính bằng micron và số thứ 2 biểu thị đường kính đào tối ưu tính bằng phần trăm milimét. Các số thấp hơn biểu thị chất lượng cao hơn, với "0-0" biểu thị bề mặt bổ sung rất nhiều vết xước. Vết xước được định nghĩa là khuyết tật có kích thước lớn hơn đáng kể so với chiều rộng của nó, trong khi vết đào là khuyết tật giống như hố có chiều dài và kích thước gần tương đương. ISO 10110 thường sử dụng các ký hiệu khác nhau, chẳng hạn như "5/2 × 0,004", chỉ định chiều rộng vết xước tối đa, số lượng vết xước và kích thước đào tối ưu tính bằng milimét. Giá trị cào/đào thông thường dao động từ 80/50 đối với quang học cơ bản đến 20/10 hoặc thấp hơn đối với các thành phần có độ chính xác cao. Nếu có vết xước có kích thước tối đa, kích thước của nó thường được giới hạn ở 1/4 đường kính của quang học. Các vết đào có thông số kỹ thuật 10 phải cách nhau ít nhất 1mm và các vết đào thực sự nhỏ (nhỏ hơn 2,5 µm) có thể bị bỏ qua.
  • Độ phẳng: Độ phẳng hoặc độ không đều của diện tích bề mặt xác định độ lệch của bề mặt so với máy bay hoàn hảo, thường được chỉ định theo các phần của bước sóng (λ). Ví dụ, λ/20 ở 633 nm cho thấy độ lệch tối đa là 31,65 nm. Chất lượng đơn điệu dao động từ 1 λ đối với chất lượng tiêu chuẩn đến λ/8 hoặc nhỏ hơn đối với độ chính xác cao. Giao thoa kế là phương pháp phổ biến để kiểm tra tính đơn điệu của bề mặt bằng cách đánh giá các mẫu nhiễu.
  • Điểm tương đồng: Độ tương đồng chỉ ra mức độ giống nhau giữa hai bề mặt của một khía cạnh quang học. Độ song song cao rất quan trọng để giảm thiểu sự biến dạng trong mặt sóng phản xạ.
  • Độ nhám bề mặt: Độ nhám bề mặt là một khía cạnh thiết yếu khác của chất lượng bề mặt cao, đặc biệt là để giảm thiểu sự phân tán và ngăn ngừa hư hỏng do tia laser gây ra. Nó có thể được đo bằng các số liệu như biên độ nhám trung bình và biên độ đỉnh-rãnh cuối cùng.

Các yếu tố cần xem xét khi tích hợp hệ thống:

  • Đặt sự căng thẳng và lo lắng: Do tính chất dễ vỡ và độ rắn chắc cao của sapphire, cần cân nhắc kỹ lưỡng khi lắp đặt các chiến lược để tránh gây ra căng thẳng và lo lắng có thể dẫn đến nứt hoặc ảnh hưởng đến hiệu suất quang học. Các kỹ thuật lắp đặt phải phù hợp với sự khác biệt về độ giãn nở nhiệt giữa sapphire và sản phẩm vỏ bọc trên mảng mức nhiệt độ hoạt động.
  • Thanh toán lưỡng chiết: Độ lưỡng chiết của sapphire có thể là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống mà khả năng kiểm soát phân cực hoặc độ ổn định mặt sóng là rất quan trọng. Trong khi sử dụng sapphire định hướng mặt phẳng C làm giảm độ lưỡng chiết đối với ánh sáng truyền dọc theo trục quang học, các tia lệch trục vẫn sẽ bị lưỡng chiết. Trong các hệ thống cần độ tinh khiết phân cực cao hoặc độ méo mặt sóng biên cho tất cả các tia, các phương pháp như sử dụng các thành phần quang học tạo nên (ví dụ: tấm sóng làm bằng sản phẩm có các thuộc tính lưỡng chiết đối diện) hoặc tạo ra hệ thống để giảm góc xuất hiện trên diện tích bề mặt sapphire có thể là cần thiết. Đối với các ứng dụng mà khả năng lưỡng chiết được điều khiển, chẳng hạn như trong tấm sóng, thì việc kiểm soát chính xác hướng tinh thể là điều cần thiết.
  • Các vấn đề về sản phẩm: Các vấn đề về vật liệu bên trong, chẳng hạn như lỗi lưới, tạp chất và các chất bổ sung (như bọt khí hoặc vấn đề sữa), có thể ảnh hưởng đến hiệu quả quang học bằng cách kích hoạt sự lan truyền, hấp thụ hoặc phát tán các hư hỏng do tia laser gây ra, đặc biệt là trong các ứng dụng công suất cao. Việc chỉ định các cấp vật liệu lý tưởng và mức chất lượng cao dựa trên độ nhạy của ứng dụng đối với các vấn đề này là rất quan trọng.
  • Máy hút bụi Quang học: Khi kết hợp cửa sổ sapphire vào hệ thống máy hút bụi, cần cân nhắc thêm các biến số ngoài hiệu suất quang học. Những biến số này bao gồm loại và kích thước mặt bích, khả năng của thiết lập cửa sổ để giữ độ trung thực của máy hút bụi trong phạm vi nhiệt độ và ứng suất xác định, khả năng chống bức xạ và rỉ sét trong môi trường chân không, đặc tính điện và từ, và rất ít khí thoát ra từ sapphire và vật liệu đặt.
  • Sự đánh đổi giữa chi phí và hiệu suất: Việc chỉ định quá mức chất lượng bề mặt hoặc các thông số kỹ thuật khác vượt quá mức cần thiết cho hiệu suất yêu cầu của ứng dụng có thể làm tăng đáng kể chi phí. Hiểu biết sâu rộng về cách từng thông số kỹ thuật tác động đến hiệu quả hệ thống là rất quan trọng để đưa ra các lựa chọn thiết kế tiết kiệm.

 

Cuối cùng, việc tích hợp sapphire quang học vào các hệ thống phức tạp đòi hỏi phải tập trung chú ý vào các ngôi nhà đặc biệt và các yêu cầu toàn diện của nó. Ngoài các đặc điểm quang học và vật lý cơ bản, các yếu tố như hướng tinh thể, yêu cầu về chất lượng bề mặt, cân nhắc về lắp đặt và tác động tiềm ẩn của lưỡng chiết và các khuyết tật của sản phẩm cần được kiểm tra kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống tối ưu, đặc biệt là trong các cài đặt vận hành khó khăn.

biểu tượng favicon 5 của chineselens

Chúng tôi là nhà cung cấp trọn gói các giải pháp quang học tùy chỉnh cao cấp tại Trung Quốc, với năng lực cốt lõi về phản ứng nhanh, hợp tác toàn quy trình và khả năng sản xuất chính xác. Chúng tôi trao quyền cho khách hàng đạt được đổi mới sản phẩm và sản xuất hàng loạt hiệu quả trong các lĩnh vực tập trung công nghệ quang học.

Bài viết mới nhất

Kết nối với các chuyên gia của chúng tôi

Chúng tôi ở đây để giúp bạn

Yêu cầu báo giá
Trang web này được bảo vệ bởi reCAPTCHA và Chính sách quyền riêng tưĐiều khoản dịch vụ của Google được áp dụng.

Tiết kiệm thời gian và chi phí của bạn là mục tiêu chung của chúng tôi.

Chúng tôi chào đón bạn đến với Chineselens Optics với tư cách là đối tác số một của bạn cho bất kỳ thành phần quang học tùy chỉnh nào. Hãy liên hệ với chúng tôi ngay hôm nay và nhận báo giá miễn phí và đánh giá chuyên nghiệp về nhu cầu của bạn. Chúng tôi đảm bảo các thành phần quang học có độ chính xác cao phù hợp với yêu cầu của bạn.

Địa chỉ

Số 12 đường Đông Yanhe, thành phố Diêm Thành, tỉnh Giang Tô, Trung Quốc

Gọi cho chúng tôi

+86-18005107299

Địa chỉ Email

chineselens@foxmail.com

Địa chỉ Email

sales@chineselens.com

WhatsApp

+8618005107299

Wechat

nuli7711

gửi yêu cầu của bạn ngay hôm nay

Email bật lên

Trang web này được bảo vệ bởi reCAPTCHA và Chính sách quyền riêng tưĐiều khoản dịch vụ của Google được áp dụng.

bắt đầu báo giá tùy chỉnh của bạn