Лейкосапфир (Al₂O₃): сапфировые окна, линзы, трубки и IPL-световоды
Алкор Текнолоджиз - это российское производство оптических компонентов из оптического сапфира (лейкосапфир, Al2O3).
Мы изготавливаем сапфировые окна, сапфировые защитные стекла, окна для сканеров, IPL световоды и сапфировые линзы, призмы, трубки, кольца, изоляторы под заказ по чертежам заказчика.
Изготавливаем круглые, прямоугольные, многогранные сапфировые окна, диаметр или диагональ от 5 до 250мм. Имеется возможность изготовления сапфировых пластин со сложным контуром. При необходимости возможно изготовление деталей с нанесением широкополосного просветляющего покрытия для видимой области 400-700нм либо для ИК области 3-5мкм.
Предлагаем изготовление деталей из сапфира по каталогам Edmund Optics, Thorlabs и других зарубежных производителей, а также микроптику из сапфира диаметром от 3 мм.
Изготавливаем сапфировые трубы с внутренним диаметром от 2,5 до 200мм, толщиной стенки от 3мм и длиной до 300мм. Трубы из лейкосапфира применяются для работы при высоких давлениях. Механические свойства лейкосапфира позволяют изготавливать из него детали технического назначения: втулки, кольца, подшипники, изоляторы и т. д.
Присылайте запросы и чертежи на электронную почту sales@alkor.net, наши специалисты помогут подобрать оптимальное решение для вашей задачи.
Лейкосапфир: уникальное сочетание оптических и механических свойств
Лейкосапфир — монокристаллический оксид алюминия (Al₂O₃) — единственный материал, сочетающий в одном компоненте три качества, которые в обычных оптических стёклах несовместимы: широкий спектральный диапазон (УФ–MWIR), исключительную механическую прочность и абсолютную химическую инертность.
Синтетический корунд является анизотропным одноосным кристаллом. Это один из наиболее твёрдых и прочных синтетических материалов. Он обладает химической инертностью и низким коэффициентом трения. Износостойкость корунда в 8 раз выше, чем у стали.
Cвойства, которые делают сапфир незаменимым там, где другие материалы отказывают:
Твёрдость 9 по Моосу — второй после алмаза. Сапфир является вторым по твёрдости кристаллом после алмаза, и из-за его структурной прочности оптические окна из данного материала могут быть намного тоньше, чем окна из других распространённых диэлектрических материалов, а также демонстрировать лучший коэффициент пропускания. Сапфировое окно не царапается абразивной пылью, металлической стружкой, агрессивными частицами в потоке — там, где кварцевое стекло деградирует за месяцы, сапфир сохраняет оптические свойства годами.
Химическая инертность до экстремальных температур. Сапфир не растворяется в воде; не растворяется в кислотах (HNO₃, H₂SO₄, HCl, HF) до 300°С; не растворяется в щелочах до 800–1000°С; устойчив в расплавах металлов (Mg, Al, Cr, Co, Ni, Na, K, Bi, Zn, Cs) до 800°С. Это делает сапфир материалом выбора для оптики в химических реакторах, пламенных анализаторах, высокотемпературных пирометрах.
Стабильность свойств до 1600°С. В отличие от кварца (деформируется выше ~1000°С) и оптических стёкол, сапфир сохраняет механические и оптические свойства при экстремальных температурах. Перечисленные качества корунда делают его незаменимым материалом для работы в жёстких условиях: при высокой температуре и/или давлении, в кислотном или щелочном окружении, при высоких механических нагрузках. Даже в этих тяжёлых условиях корунд не теряет своих оптических свойств.
Спектр пропускания оптического сапфира. Толщина 10мм.
Сапфир vs кварц vs оптическое стекло: когда выбирать сапфир
| Параметр | Сапфир | Кварцевое стекло | K8 / BK7 |
|---|---|---|---|
| Диапазон пропускания, мкм | 0.25 – 5.0 | 0.185 – 3.5 | 0.33 – 2.5 |
| Твёрдость (Моос) | 9 | 7 | 6 |
| Температура плавления | 2040°C | 1500°C | ~559°C |
| Рабочая температура | до 1600°C | до 1000°C | до 150°C |
| Химическая стойкость | +++ | ++ | + |
| Стойкость к царапинам | +++ | ++ | + |
| Механическая нагрузка | +++ | ++ | + |
| Работа в агрессивных средах | да | +/- | нет |
| Относительная цена | +++ | ++ | + |
Практическое правило: выбирайте сапфир, если окно работает в абразивной, агрессивной химической или высокотемпературной среде, либо требует пропускания в диапазоне 3–5 мкм при одновременном требовании механической прочности. Во всех остальных случаях — кварц или оптическое стекло дешевле при сравнимом качестве.
Продукция из лейкосапфира
Сапфировые окна и защитные стёкла
Производим плоскопараллельные сапфировые окна любых форм: круглые, прямоугольные, многогранные, со сложным контуром — по чертежу заказчика. Диаметр или диагональ от 5 до 250 мм.
Ключевые типы применений:
Защитные окна для пирометров и газоанализаторов — сапфир прозрачен в диапазоне 3–5 мкм (характерные полосы CO₂, CO, углеводородов) при сохранении механической и химической стойкости в промышленных условиях. Длительный срок службы в потоках дымовых газов, где кварцевое стекло мутнеет через несколько месяцев.
Смотровые окна вакуумных камер — сапфировые смотровые окна имеют самый широкий диапазон светопропускания, который составляет более 80% при длине волны 0.3–4.0 мкм и от 0.25 до 4.5 мкм для сапфира, предназначенного для ультрафиолетового излучения. Применяются в вакуумных установках напыления, в ускорителях частиц, в исследовательских UHV-камерах.
Иллюминаторы для работы под давлением и под водой — механическая прочность сапфира позволяет делать иллюминаторы значительно тоньше, чем из других оптических материалов, при равной прочности. Применяются в гидравлических системах высокого давления, в подводных аппаратах, в реакторах высокого давления.
Окна для лазерных систем — для лазерных окон, детекторов и прецизионных оптических систем используется сапфир С-ориентации (кристаллографическая ось С перпендикулярна плоскости окна). Это исключает двойное лучепреломление и обеспечивает прохождение излучения без паразитного неосновного луча. Уточняйте ориентацию при заказе.
Сапфировые линзы и призмы
Производим сферические линзы из лейкосапфира диаметром от 3 мм (микрооптика) и выше, а также призмы по чертежу заказчика. Покрытие: широкополосное AR 400–700 нм или AR 3–5 мкм.
Применения: линзы для лазерных систем в агрессивных средах; концевые линзы и коллиматоры для волоконных систем в химической и нефтяной промышленности; призмы для спектроскопических систем с жёсткими условиями эксплуатации.
Сапфировые трубки и стержни
Производим сапфировые трубки с внутренним диаметром от 2.5 до 200 мм, толщиной стенки от 3 мм, длиной до 300 мм. Сапфировые стержни и волноводы различных сечений.
Применения: трубки для высокотемпературных реакторов и трубчатых печей, работающих при температурах до 1600°С; защитные чехлы для термоэлементов в агрессивных средах; световоды и трубки для систем подачи излучения внутрь реактора или камеры.
IPL-световоды из сапфира
IPL-световоды из лейкосапфира применяются в косметологических лазерах. Сапфировый световод передаёт широкополосное излучение IPL-системы (Intense Pulsed Light) к коже пациента, одновременно выполняя функцию охлаждающего контактного наконечника. Твёрдость 9 по Моосу обеспечивает долговечность рабочей поверхности при многократном контакте с кожей. Изготавливаем по чертежу клиента или по образцу.
Технические детали из сапфира
Механические свойства лейкосапфира — модуль Юнга 345 ГПа, предел прочности на разрыв 420 МПа — позволяют использовать его для деталей технического назначения: втулки, кольца, подшипники, изоляторы, направляющие. Коэффициент трения по стали — 0.15, что сопоставимо с высококачественными техническими керамиками. Электрическое сопротивление 10¹¹–10¹⁶ Ом·см делает сапфир превосходным диэлектриком для высокотемпературных электрических изоляторов.
С-ориентация сапфира: что это и когда важно
Лейкосапфир — двулучепреломляющий кристалл: показатели преломления обыкновенного (no) и необыкновенного (ne) лучей незначительно, но измеримо различаются. Это означает, что при произвольной ориентации кристалла излучение, проходящее через окно, будет разделяться на два пучка с разными направлениями поляризации.
Для большинства задач (защитные окна, иллюминаторы, смотровые стёкла) это несущественно. Но для лазерных систем, интерферометров и прецизионных измерительных приборов паразитный неосновной луч недопустим.
Решение — С-ориентация: кристаллографическая ось С (оптическая ось кристалла) ориентируется перпендикулярно плоскости окна. В этом случае излучение распространяется вдоль оптической оси, оба луча совпадают, и двулучепреломление не проявляется. Окно ведёт себя как изотропный материал.
Мы изготавливаем сапфировые окна как в С-ориентации (для лазерных и прецизионных применений), так и в других ориентациях по запросу заказчика. Уточняйте ориентацию в техническом задании.
Покрытия для сапфировой оптики
Непокрытый сапфир с показателем преломления ~1.77 (на 532 нм) теряет около 8% излучения на каждой поверхности из-за отражения. AR-покрытие снижает суммарные потери до 0.5–2% и необходимо для большинства оптических применений. Мы наносим следующие AR-покрытия на сапфировые компоненты: 400-700нм, 3-5мкм, другие диапазоны под заказ.
Сапфировые окна, просветляющее покрытие на 2-4мкм.
Области применения сапфировой оптики
Пирометры и системы бесконтактного контроля температуры — сапфировые окна в диапазоне 3–5 мкм. Химическая стойкость и твёрдость обеспечивают длительный ресурс в промышленных условиях (металлургия, цементные печи, стекловарение).
Газоанализаторы и инфракрасные датчики — защитные сапфировые окна перед ИК-источниками и детекторами. Выдерживают воздействие дымовых газов, кислотных паров и абразивных частиц.
Вакуумные установки — для смотровых окон в системах высокого и сверхвысокого вакуума применяют сапфир, когда требуется широкий диапазон пропускания (0.25–4.5 мкм) при высокой термостойкости. Применяется в установках магнетронного напыления, молекулярно-пучковой эпитаксии, вакуумной аналитической аппаратуре.
Лазерные системы (УФ, видимый, MWIR) — выходные и входные окна лазерных систем в условиях работы с агрессивными газами или при значительных механических нагрузках. Сапфир устойчив к фотоиндуцированному потемнению в УФ-диапазоне, в отличие от многих стёкол.
Косметология и медицина (IPL, лазерная эпиляция) — световоды и контактные наконечники IPL-аппаратов. Твёрдость 9 по Моосу гарантирует, что рабочая поверхность световода не царапается и не загрязняется при многолетней эксплуатации.
Химическое производство и реакторы высокого давления — сапфировые трубки, окна и иллюминаторы для реакционных аппаратов в химической и нефтехимической промышленности. Устойчивость к кислотам до 300°С и к щелочам до 800–1000°С охватывает большинство промышленных химических сред. Научные исследования — прецизионные окна для спектроскопии, криогенные окна (теплопроводность сапфира при криогенных температурах превышает теплопроводность меди), подложки для МЭМС-устройств и тонкоплёночных структур.
Заказать сапфировые компоненты по чертежу
Пришлите чертёж или ТЗ на sales@alkor.net: укажите форму и размеры, ориентацию (С или другая), покрытие, количество. Специалисты подберут оптимальное решение.
Телефон +7 812 363 12 40 Электронная почта sales@alkor.net
Сапфир основные свойства:
| Химическая формула | Al₂O₃ |
| Тип кристаллической структуры, класс симметрии | гексагональная, 3m |
| Параметры решетки, Å | a=4.758 c=12.991 |
| Плотность, г/см3 | 3.98 |
| Твердость по Моcсу | 9 |
| Диапазон оптической прозрачности, микрон | 0.17-5.5 |
| Показатель преломления (на длине волны 0.532 микрон) | no =1.7717, ne =1.76355 |
| Влагопоглощение | отсутствует |
| Модуль Юнга, ГПа | 345 |
| Модуль сдвига, ГПа | 145 |
| Модуль объемной упругости, ГПа | 240 |
| Предел упругости, МПа | 275 |
| Модуль разрыва, МПа | 420 при 20°С, 280 при 500°С, 420 при 1000°С. |
| Коэффициенты упругости | C11=496, C12=164, C13=115, C33=498, C44=148 |
| Коэффициент Пуассона | 0.25-0.3 |
| Коэффициент трения | 0.15 на стали, 0.1 на сапфире |
Сапфир - Показатель преломления
No = обыкновенный луч, Ne = необыкновенный луч
| Длина волны, мкм | No | Ne |
|---|---|---|
| 0.193 | 1.92879 | 1.91743 |
| 0.213 | 1.88903 | 1.87839 |
| 0.222 | 1.8754 | 1.86504 |
| 0.226 | 1.87017 | 1.85991 |
| 0.244 | 1.85059 | 1.84075 |
| 0.248 | 1.84696 | 1.83719 |
| 0.257 | 1.83932 | 1.82972 |
| 0.266 | 1.83304 | 1.82358 |
| 0.280 | 1.82437 | 1.81509 |
| 0.308 | 1.81096 | 1.80198 |
| 0.325 | 1.80467 | 1.79582 |
| 0.337 | 1.80082 | 1.79206 |
| 0.351 | 1.79693 | 1.78825 |
| 0.355 | 1.79598 | 1.78732 |
| 0.442 | 1.78038 | 1.77206 |
| 0.458 | 1.77843 | 1.77015 |
| 0.488 | 1.7753 | 1.76711 |
| 0.515 | 1.77304 | 1.76486 |
| 0.532 | 1.7717 | 1.76355 |
| 0.590 | 1.76804 | 1.75996 |
| 0.633 | 1.7659 | 1.75787 |
| 0.670 | 1.76433 | 1.75632 |
| 0.694 | 1.76341 | 1.75542 |
| 0.755 | 1.76141 | 1.75346 |
| 0.780 | 1.76068 | 1.75274 |
| 0.800 | 1.76013 | 1.7522 |
| 0.820 | 1.75961 | 1.75168 |
| 0.980 | 1.75607 | 1.81974 |
| 1.064 | 1.75449 | 1.74663 |
| 1.320 | 1.75009 | 1.74227 |
| 1.550 | 1.74618 | 1.73838 |
| 2.010 | 1.73748 | 1.72973 |
| 2.249 | 1.73232 | 1.72432 |
| 2.703 | 1.719 | 1.711 |
| 2.941 | 1.712 | 1.704 |
| 3.333 | 1.701 | 1.693 |
| 3.704 | 1.687 | 1.679 |
| 4.000 | 1.674 | 1.666 |
| 4.348 | 1.658 | 1.65 |
| 4.762 | 1.636 | 1.628 |
| 5.000 | 1.623 | 1.615 |
| 5.263 | 1.607 | 1.599 |
Теплофизические свойства сапфира
| Температура плавления, К | 2303 |
| Удельная теплоемкость, Дж/(кг x К) | 105 при 91К, 761 при 291К |
| Температурный коэффициент линейного расширения (при Т = 323К), К‑1 | 6.66 x 10-6 параллельно С-оси, 5 x 10-6 перпендикулярно С-оси |
| Теплопроводность (при Т = 300К), Вт/(м x К) | 23.1 параллельно С-оси, 25.2 перпендикулярно С-оси |
Электрические свойства сапфира
| Электрическое сопротивление, Ом x см (в диапазоне 200-500 °С) | 1011 - 1016 |
| Диэлектрическая константа | 10.0 |
| Диэлектрическая прочность, В/см | 4 x 105 |
| Тангенс угла (диэлектрических) потерь | 1 x 10-4 |
Химическая и радиационная устойчивость сапфира
| Стабильность основных свойств | до 1600°С |
| Растворимость - в воде: - в кислотах (HNO3, H2SO4, HCl, HF): - в щелочах: - в расплавах металлов (Mg, Al, Cr, Co, Ni, Na, K, Bi, Zn, Cs): |
отсутствует отсутствует до 300°С отсутствует до 800-1000°С отсутствует до 800°С |
| Радиационная стабильность к гамма-излучению: | - при облучении 107 рад не происходит изменения оптического пропускания свыше 2.5 микрон; - при облучении 108 рад в течение 1 часа при Т = 195°С не наблюдается окрашивания |
| Устойчивость к облучению протонами: | - при облучении дозой 1012 протонов/см2 не происходит изменения оптического пропускания ниже 0.3 микрон |
Позвоните или напишите нам, чтобы заказать оптику из сапфира