蓝宝石晶体材料的光电应用

杜鹃, 吴绍华, 康杰, 李刚, 孙兴, 吴应强

杜鹃, 吴绍华, 康杰, 李刚, 孙兴, 吴应强. 蓝宝石晶体材料的光电应用[J]. 红外技术, 2025, 47(1): 10-18.
引用本文: 杜鹃, 吴绍华, 康杰, 李刚, 孙兴, 吴应强. 蓝宝石晶体材料的光电应用[J]. 红外技术, 2025, 47(1): 10-18.
DU Juan, WU Shaohua, KANG Jie, LI Gang, SUN Xing, WU Yingqiang. Optoelectronic Applications of Sapphire Crystal Material[J]. Infrared Technology , 2025, 47(1): 10-18.
Citation: DU Juan, WU Shaohua, KANG Jie, LI Gang, SUN Xing, WU Yingqiang. Optoelectronic Applications of Sapphire Crystal Material[J]. Infrared Technology , 2025, 47(1): 10-18.

蓝宝石晶体材料的光电应用

详细信息
    作者简介:

    杜鹃(1984-),女,工程师,研究方向为光学工艺设计。E-mail:328930375@qq.com

    通讯作者:

    吴绍华(1976-),男,博士,正高级工程师,研究方向为红外光学材料。E-mail:13577018379@163.com

  • 中图分类号: TN213

Optoelectronic Applications of Sapphire Crystal Material

  • 摘要:

    随着技术的发展,光电系统的复杂使用环境对光学材料及其性能提出了更高要求,因综合性能优良,制备技术相对成熟,蓝宝石晶体材料的光电应用备受关注。蓝宝石在紫外、可见光及中波红外等多个光谱波段具有高光谱透射性能,且在复杂使用环境条件下保持相对稳定的光学性能,常被用作高超声速导弹整流罩、机载光电窗口、光电桅杆窗口和高端民用光学元件。掺杂蓝宝石可用于激光器和热释光探测器光学元件,蓝宝石光纤可用于高温传感器。本文概述了蓝宝石晶体的材料特性及其在光电领域的应用现状,指出了蓝宝石晶体材料未来的发展方向。

    Abstract:

    With technological developments, complex optoelectronic application environments have increased the requirements for optical materials and their properties. Due to their excellent comprehensive performance and relatively mature preparation technology, optoelectronic applications of sapphire have attracted considerable attention. Sapphire has high spectral transmission performance in multiple spectral bands such as ultraviolet, visible light, and mid-wave IR, and maintains relatively stable optical performance under complex usage conditions. It is frequently used in hypersonic missile domes, airborne IR optical windows, optoelectronic mast windows, and high-end civilian optical components. Doped sapphire can be used as an optical component in lasers and thermoluminescence detectors, and sapphire fibers can be used in high-temperature sensors. The basic characteristics of sapphire crystal materials and their research progress in optoelectronic applications are summarized, and future development trends are discussed.

  • 红外技术的进步和红外装备应用需求的增长,带动了红外光学材料的技术发展,国内外红外光学材料技术日趋成熟,形成了相对完善的红外光学材料产品和应用体系[1-2]。蓝宝石晶体材料不仅光学性能优异,而且硬度大、强度高、耐用性强,是极端恶劣环境条件下的高超声速导弹光学整流罩和机载红外光电系统优选光电窗口材料,已用于现役先进瞄准吊舱、战斗机光电瞄准吊舱、红外警戒系统、光电对抗设备以及舰载、星载以及潜基、陆基红外光电系统的红外光学元件[310]。蓝宝石晶体材料在光电系统中的应用起步早,制备及应用技术相对成熟,性能技术指标体系较为完善,在马赫数大于2的高速导弹整流罩、红外光学窗口材料中备受关注,已实现了在红外制导光学整流罩、机载光电等红外光学窗口中的实际应用[1116]。蓝宝石晶体材料也被用于制作激光器、热释光探测器和高温传感器光学元件。

    应用于光电领域的蓝宝石晶体材料,对材料的透射波段、透射比、吸收系数、折射率、折射率温度系数等光学性能,晶向、硬度、强度及耐环境腐蚀性等机械力学性能均有特殊要求。

    文中简述了蓝宝石晶体材料的制备方法和特性,综述了蓝宝石晶体材料的光电应用现状,最后展望了蓝宝石晶体材料的未来发展方向。

    蓝宝石晶体材料的制备包括泡生法、热交换法、导模法、坩埚下降法等多种方法[1722]。不同制备方法获得蓝宝石材料,其光学性能具有很大差异。泡生法生长制备大尺寸蓝宝石晶体材料技术相对最为成熟,产品性能优异、品质高,适合于制作红外光学元件[23]。导模法可以生长制备出超大尺寸的蓝宝石晶体板材。Locher等人采用导模法研制出大尺寸蓝宝石板材,光学成型、加工及抛光后的光学窗口尺寸为230 mm×450 mm×16.8 mm[7, 19]。王东海研究团队同样采用导模法生长研制出690 mm×300 mm×12 mm超大尺寸蓝宝石板材,该生长方法能耗低、生长速度快、工艺流程短、材料利用率高,制备的蓝宝石板材具有良好的光学质量,适用于制作光学窗口[20]

    在过去的几十年中,随着军用光电/红外系统和高超声速飞行器的迅速发展,人们对大面积红外光学窗口提出了更高的要求,对高硬度、高强度、高透过率光学材料的需求越来越强烈。蓝宝石晶体莫氏硬度高达9.0,在可见光和红外波段都具有高光学透射比,因此成为极端使用环境下的首选光学窗口材料。在蓝宝石晶体生长技术中,泡生法生长技术用于制备红外光学用蓝宝石晶体。康森[23]团队通过工艺改良,采用泡生法研制了无气泡、无散射颗粒的Φ640 mm超大口径蓝宝石晶体,其重量达720 kg。可用于加工制作大尺寸航空、航天光电窗口、军工红外光学窗口及先进机载光电系统光学窗口等。

    蓝宝石具有优良的光学、机械和热学性能,抗温度冲击品质因子仅次于金刚石,弯曲强度为400 MPa,硬度平行于c轴为18000 MPa,线性热膨胀系数平行于c轴为5.3×10-6-1,热导率为35 W⋅(m⋅K)-1,在低于200℃时表现出突出的高强度,对抗风砂、雨水侵蚀能力强,耐温度冲击性好。在0.19~5.5 μm可见光至中红外波段具有高光学透过率[24-25],理论透过率高达88%。蓝宝石单晶在2.5~3.7 μm波段的透射比随温度的变化不明显,但在3.7~5.0 μm波段,随温度升高,透射比下降显著,与蓝宝石相比,镁铝尖晶石在3.5~4.2 μm波段的透射比随温度的变化较为明显,但仍保持80%以上的光学透射比[26]图 1给出了蓝宝石光学整流罩及其常温条件下的光谱透射曲线。在高温条件下,蓝宝石仍能保持良好的光学性能,可满足高马赫数飞行和恶劣使用环境条件下的光学整流罩、红外光学窗口的应用需求[2728]

    图  1  蓝宝石光学整流罩及其光谱透射曲线
    Figure  1.  Transmittance curve of sapphire window

    受装备应用需求牵引,蓝宝石晶体材料的研制和应用取得明显进展,促进和推动了高超声速导弹整流罩的应用技术进步。光学整流罩位于整个导引头成像系统的最前端,是导弹的关键部件之一,高马赫数飞行条件下的恶劣环境对红外窗口材料及其特性提出了新的要求和挑战[11]。蓝宝石晶体材料硬度大,抗弯强度高,具有良好的抗风砂、雨水侵蚀能力,已成为西方发达国家高速战斗机的红外窗口,高马赫数导弹整流罩等中波红外光学窗口的优选材料,成功应用和服役于第四代空-空导弹光学整流罩。在高强度透明装甲、潜艇光电桅杆窗口以及高功率强激光窗口等装备仪器中也有广泛应用[29]

    蓝宝石晶体是目前最耐用的中波红外窗口材料之一,用蓝宝石晶体加工制作而成的蓝宝石光窗或光学整流罩,已应用于各先进光电对抗和导弹系统。美国的终端弹道式导弹防御系统(Terminal Ballistic Missile Defense,TBMD)、高内大气层防御拦截器(High Endoatmospheric Defense Interceptor,HEDI)以及美/德联合研制开发,已安装于美、德、日、韩和希腊等国的舰载对抗型反舰巡航导弹RIM-116 RAM,均使用了蓝宝石晶体作为红外导引头的光学整流罩。美国响尾蛇系列Aim-9X、法国MICA-IR、德国IRIS-T、南非A-Darter、以色列Python-5、英国ASRAAM空空导弹的导引头均采用半球形蓝宝石光学整流罩,在表 1中列出了各蓝宝石整流罩的直径,图 2为蓝宝石在现役导弹整流罩中的应用情况[30]

    表  1  蓝宝石导弹整流罩及其直径
    Table  1.  Diameters of sapphire for missile domes
    Country Missile Company Diameters of sapphire dome/mm
    America AIM-9X Raytheon 76
    France MICA-IR Sagem 160
    Germany IRIS-T Diehl BGT 100
    S. Africa A-Darter Denel 150
    Israel Python-5 RAFAEL 160
    Britain ASRAAM MBDA 80
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    图  2  蓝宝石的空空导弹整流罩应用[30]
    Figure  2.  Sapphire domes for air-to-air missiles[30]

    作为综合性能突出的多波段、宽波段光学透射材料,蓝宝石也用作机载光电系统的红外光学窗口。美军列装于F-16战斗机的机载前视红外(ATFLIR)吊舱,使用了由Exotic公司加工制造生产的蓝宝石作为红外光学窗口。美F-35联合攻击战斗机中装备先进光电跟踪系统(Electro-Optical Targeting System,EOTS)如图 3所示。该光学窗口由7块蓝宝石光窗组装而成,可实现360°全角度、全方位观测。

    图  3  F-35战斗机的光电跟踪系统及其蓝宝石窗口[30]
    Figure  3.  JSF EOTS of F-35 and sapphire windows[30]

    俄罗斯苏-35战机所装备的ОЛС-35型红外光学雷达定位系统和米格系列战机装备的13CM-1光电雷达定位系统,均采用蓝宝石球体整流罩,如图 4[7]

    图  4  俄罗斯战机红外光学定位系统及其蓝宝石整流罩[7]
    Figure  4.  Photoelectric systems of Russia and its sapphire domes[7]

    美国空军研究实验室曾与圣戈班集团的陶瓷与塑料分部进行合作,寻找一种为光电/红外系统制造更大尺寸蓝宝石光电窗口的方法,研究人员已制造出尺寸为457 mm×406 mm×20 mm的蓝宝石光电窗口,满足空军对光学性能、机械性能的要求,并降低了后续制作成本[31]。圣戈班集团采用导模法生长出近净成形蓝宝石晶体,通过大量的设计实验、热模型和生长试验,制造出的蓝宝石材料尺寸及性能均满足美国海军DDG 1000舰项目对蓝宝石板材的要求[5, 7]。美国空军和陆军也在对这种制备技术进行评估,利用该技术生长制备的蓝宝石晶体材料分别用于RC-135S“Cobra Ball”电子侦察机和“HIMARS”高机动性多管火箭炮系统[31]

    美国Northrop Grumman公司生产的Litening吊舱、Raytheon公司的ATFLIR吊舱以及Lockheed Martin公司的Sniper吊舱,均采用蓝宝石晶体材料制作其光学窗口,如图 5[30]

    图  5  红外瞄准吊舱及蓝宝石光学窗口[30]
    Figure  5.  Infrared targeting pods and sapphire windows[30]

    英国机敏级攻击核潜艇,装备有泰利斯光电子研制和生产的CM010光电桅杆,其观察窗口首次在光电桅杆中采用蓝宝石晶体材料,是光电桅杆材料选择上的一次重大变化,推动了光电桅杆及其热像仪的发展[5]。美国弗吉尼亚级攻击核潜艇,采用了光电桅杆,如图 6,这些新型光电桅杆传感器中集成有热像仪、电视摄像机、激光测距仪等光电设备,其光电窗口采用的也是蓝宝石晶体材料[32]

    图  6  潜艇光电桅杆(上)及蓝宝石光学窗口(下)[32]
    Figure  6.  Optoelectronic masts (up) and sapphire windows (down) [32]

    由于光学、物理、机械力学及化学等综合性能独特,蓝宝石晶体还被用来制作光学实验仪器、科研试验仪器和探测器中的透镜、棱镜及反射镜等的高强度光学元件,可以满足不同使用环境条件下的应用需求。除了具有优异的宽波段高光学透过性能之外,光学用蓝宝石晶体材料强度高、耐磨性强,具有良好的抗腐蚀性、耐环境适应性和高温性能稳定性,因此,还可用于加工制造使用于高温、高压等恶劣工作环境条件下的各种仪器设备光学观察窗口和高端先进探测器、传感器窗口[7]。为确保使用安全和使用寿命,目前使用的耐高温热电偶、锅炉水位计,耐磨损商品条码扫描仪窗口,耐腐蚀煤井、气井和油井的探测传感器窗口等,大多数使用蓝宝石晶体材料加工制备而成[31]。此外,蓝宝石晶体还可加工成形形色色的各类饰品、刀具、仪表盘、器皿、杯具、透明灯具和精密机械轴承以及新一代电子产品的屏幕、手机盖板和护目镜片等光学元件[31]

    然而,由于蓝宝石晶体材料的生长制备技术及光学元器件产品加工技术难度大、生产成本高,目前主要应用于军事装备,航空、航天和科学研究等高端先进光学领域。

    掺钛蓝宝石(Titanium-doped Sapphire,Ti: Sa)晶体具有660~1180 nm的宽发射带宽,可直接从振荡器中产生5 fs以下周期量级激光脉冲,广泛应用于飞秒光学频率梳、高次谐波和阿秒产生、多光子成像、精密激光微纳加工等各领域[33]。Ti: Sa激光器是在可见光和近红外波段产生固态激光的关键工具,朱江峰、魏志义[33]两个课题组合作,通过提高腔内克尔非线性强度以展宽锁模带宽,获得了146 nm的超宽光谱,可支持7.6 fs的傅里叶变换极限脉冲宽度,最终实验实测脉冲宽度为8.1 fs。

    中国科学院物理研究所等单位[34]联合开展了1 kHz重复频率的薄片飞秒钛宝石激光放大研究,通过采用500 μm的薄钛宝石晶体,改进薄片晶体与热沉的焊接工艺,提升高泵浦功率下的冷却效果,降低焊接过程对晶体后表面膜层损伤阈值的影响,并通过优化改进多通泵浦结构实现更多的泵浦程数,通过有效降低热积累引入的热透镜效应,得到了光束质量近衍射极限、平均功率可扩展的放大结果,首次实现kHz重复频率薄片钛宝石激光放大,在1 kHz的重复频率下,平均输出功率为1.45 W,对应于38 GW峰值功率,为突破飞秒钛宝石激光平均功率瓶颈提供了新的技术方案。

    美国耶鲁大学[35]在Nature Photonics上发表论文,提出了一种光子电路集成的掺钛蓝宝石Ti: Sa激光器,整合了Ti: Sa增益介质与蓝宝石上的氮化硅集成光子学平台,将激射阈值降低到6.5 mW,以最小功耗实现了高便携性,有望助力于新一代主动-被动集成可见光光子学中的宽带可调谐激光器。文献中还报道了一种稀土元素钕掺杂蓝宝石Nd: Sa激光器,其激光波长在1092 nm和1097 nm处,最大斜率效率为12%,在钛宝石激光器的可用入射泵浦功率为2.8 W条件下,实现了322 mW的最大输出功率[36]

    α-Al2O3蓝宝石晶体具有良好的热释光(Thermo-luminescence, TL)性能,可用于加工制作热释光探测器光学元件。虽然存在对γ射线的热释光灵敏度低、响应不敏感等缺点,但可通过元素掺杂的技术手段来提高或改善其热释光强度及性能。张斌等[37]采用无压烧结工艺,以MgO为烧结助剂,制备出厚度约2 mm的透明α-Al2O3蓝宝石多晶陶瓷,并研究其热释光特性。Akselrod等人[38]则通过Czochralski(CZ)生长技术制备了一种新型的α-Al2O3: C掺杂蓝宝石晶体材料,同时对其热释光性能进行了分析。结果表明,该晶体材料表现出良好的热释光性以及剂量响应特性,适用于紫外和电离辐射的剂量检测。Markey等人[39]则开展了α-Al2O3: C晶体相关时间分辨光释光(Time–resolved Optical Stimulated Luminescence, TR-OSL)性能方面的研究,在实际应用方面取得了重要突破。目前α-Al2O3: C热释光剂量计已在西方发达国家推广和应用,但存在生产成本高和碳元素掺杂不均匀的实际问题[40]

    国内,杨新波团队[41]以高纯α-Al2O3和高纯石墨为原材料,通过温度梯度生长技术制备了α-Al2O3: C晶体材料,并分析了该材料的热释光(TL)和光释光(OSL)性能。研究结果表明,所研制的Al2O3: C晶体的热释光和光释光在462 K附近,发射波波长于410 nm处,存在单一热释光峰,该波长与光电倍增管的最佳响应波长相一致。该晶体的热释光、光释光响应曲线具有线性-亚线性-饱和的线性特点,同时具有更高的剂量响应灵敏度。由于Al2O3: C晶体中的F色心发光效率热猝灭,可获得相对更高的饱和剂量和较宽的线性剂量响应范围,适合于制作高灵敏度热释光探测器和光释光探测器[41]。用α-Al2O3: C晶体材料加工制作的热释光探测器,其热释光响应灵敏度更高,线性响应范围更宽,并具有可循环再生利用及无需进行精密退火热处理等优点[36]。与之相比,光释光具有更高的剂量灵敏度和更宽的线性剂量响应宽度,在剂量学响应方面具有重要研究价值和实际应用前景[37]

    单晶蓝宝石光纤具有高熔点、低传输损耗和高强度,在0.3~4.0 μm波段具有高光学透过率,是一种性能突出的高温传感器材料,在新一代高温传感器开发和应用方面具有良好的潜在应用前景[42]。与石英光纤相比,蓝宝石光纤具有更强的耐水性,更适合于恶劣环境下使用。已报道的典型单晶蓝宝石光纤光干涉高温传感器主要有Fabry-Pérot Interferometer(FPI)、Fiber Bragg Grating(FBG)和Michelson Interferometer(MI)三种类型。传感器功能结构由光纤光波导、测量探头、光电二极管、信号放大器、数据采集及处理软件等部分组成,通过测量探头获得的辐射强度数据,根据黑体辐射定律得到亮度所对应的温度[43]。该类传感器可以在1000℃以上高温环境条件下工作,适合于高温使用环境条件下的光波导[44]。在红外透射光谱波段,蓝宝石光纤的吸收系数随温度的升高而增大,导致其透过率随温度的升高而逐渐降低,并且随温度的升高向短波长漂移[42]。可直接将蓝宝石光纤高温传感器头部直接放置于测试环境中进行接触式直接测温,因此,具有体积小、响应快、灵敏度高、耐环境性好、可靠性高等优点[36]。FPI传感器是最早基于单晶蓝宝石光纤制备的高温干涉仪,其光学设计原理利用了蓝宝石晶体材料的高折射率差以及其与空气接触后产生反射现象[45-46]。可通过在单晶蓝宝石光纤内部刻写Bragg光栅的方式研制得到FBG传感器[47],FBG传感器耐高温性能好,测量精度高,还可以进行多点测量,是极具发展和应用前景的一类新型高温传感器[48]

    蓝宝石晶体光纤温度传感器可以实现室温~1800℃的宽温度范围的全程测温,测试精度和信噪比高,测试范围宽,适用于高频电阻加热、等离子体辅助气相沉积、高温热气流等特殊环境[49]。同时,蓝宝石光纤温度传感器还可以用来测量近红外波段的激光传输和温度,对高达1600℃温度下的设备运行状态进行持续实时监测,获得压强、应力、应变和物质的量浓度等实际参数的测量数据[50]。江毅[51]等提出了一种高温大量程的蓝宝石法布里-珀罗(F-P)干涉仪压力传感器,传感器由蓝宝石衬底、带通孔的蓝宝石晶片和感压蓝宝石晶片三层蓝宝石晶片直接键合,传感器在室温、0~30 MPa的压力范围内光学腔长随压力线性变化,压力灵敏度为0.1253 μm/MPa,全量程相对分辨率达0.04%,在700℃下能稳定工作。

    航空/航天发动机、高超声速空天飞行器行业的迅速发展对高温传感器的需求迫切,推动了蓝宝石光纤光栅温度传感器向工程化实际应用转化的进程。但在高温应变传感的具体应用方面仍需要深入开展研究工作,进一步提高蓝宝石光纤光栅温度传感器的寻峰精度,以最终实现高温传感器的大规模集成和分布式传感功能[43]

    蓝宝石晶体生长制备技术成熟、化学稳定性好、性价比高、强度高,具有适中的介电常数和较低的介电损耗,通常用于制作各类高性能光学薄膜膜层的外延衬底基片的优选材料,如Tl系薄膜:TlBa2Ca2Cu3Oy[52]和Tl2Ba2CaCu2O8[53],碲镉汞红外光学膜[54],Ⅲ-Ⅴ族化合物薄膜:氮化镓、磷化镓和砷化镓等[55],Ⅱ-Ⅳ族化合物薄膜:硫化锌、氧化锌、硒化锌、碲化镉、二氧化硅和类金刚石膜等[56]以及LED等微电子、光电子器件衬底基片材料[57-58]。氮化铝、氮化镓和蓝宝石衬底片均具有宽波段光学透明性,通过氮化铝和氮化镓光学薄膜探索可见光至中红外波段的光孤子及孤子光梳机理研究具有重要的价值和意义[59]

    氮化镓基光电器件通常选择蓝宝石基片作为衬底,在蓝宝石衬底上沉积生长氮化镓膜,在镶嵌蓝宝石衬底表面外延横向生长一过度层薄膜,可以降低螺纹位错等缺陷[36],改善氮化镓薄膜材料的品质和性能。可以通过薄膜材料的图形化光刻技术在蓝宝石衬底上加工制作预计的氮化镓结构,从而制备氮化镓膜[60-64]。薄膜材料图形化制备技术可以有效抑制薄膜生长界面及其氮化镓生长过程中的位错缺陷形成与增值。为了改善氮化镓光阴极的光学性能及解决蓝宝石衬底与氮化镓之间晶格失配和热膨胀系数差异引起的应力集中问题,可在蓝宝石衬底上先镀制二氧化硅薄膜,再用氮化铝作为过渡层,然后在其上外延生长高质量氮化镓膜层[65]。采用氮化铝溅射蓝宝石衬底技术可以提高LED的性能,在外延生长氮化镓薄膜之前,采用物理气相沉积技术在蓝宝石衬底上沉积一层厚度适宜的氮化铝薄膜,氮化镓膜层中的螺旋位错和刃型位错显著减少,位错密度更低,薄膜品质更好[65]。在蓝宝石衬底片表面生长镀制一层厚度不大于0.6 μm的硅质薄膜,可用于制作各种微电子器件,如互补金属氧化物半导体CMOS器件,二极管集成电路ICs器件等[66]。光学用蓝宝石晶片、窗口和透镜,一般选择C面(0001)晶向蓝宝石晶体,高性能光学薄膜外延衬底,一般选取R面(1102)晶向的蓝宝石抛光片。

    蓝宝石晶体材料制备和光学元件加工技术相对成熟,材料特性数据较为完整,使用环境条件下的材料特性研究更为深入,促进了蓝宝石晶体材料光电应用的技术发展,已实现了在现役红外光电系统中的应用,是新一代先进高速战斗机中波透红外光学窗口和高马赫数导弹光学整流罩的优选光学窗口材料。多色融合是未来成像仪产品发展的必然,多模导引、复合制导是未来空空导弹发展的重要方向,光学级蓝宝石晶体材料内部缺陷很少,没有晶界、孔隙等散射源,强度的损失很小,光学透过率很高,是目前多色融合先进光电跟踪系统窗口以及多模复合制导导弹光学整流罩的首选材料。

    随着蓝宝石晶体材料生长制备技术、光学材料性能表征技术、衬底上光学薄膜制备技术、光学元件加工技术和光学系统集成技术的发展和日益成熟,已实现了从紫外、可见至红外多个波段的光学窗口、光学整流罩和固体光源的实际应用。蓝宝石光电子元器件产品从实用化、商品化逐渐走向产业化。蓝宝石晶体材料及其应用的技术及发展主要体现在以下几个方向:

    1)低缺陷、高强度、高质量、无色透明大尺寸蓝宝石晶体材料生长制备技术。

    2)高精度、高光学表面质量蓝宝石红外光学窗口、保型光学整流罩以及复杂异形光学元件的低成本加工制造技术。

    3)高马赫数导弹飞行条件下蓝宝石材料的性能表征和光学元件产品应用验证技术。

    4)蓝宝石光学材料、光学元件和光学系统及其检测试验方法的相关标准、产品规范的制定。

    5)基于蓝宝石晶体材料光学应用的智能化、轻量化、小型化先进光学设计和光学系统集成技术。

    蓝宝石晶体材料易于实现大口径材料制备,应用技术日趋成熟,已实现了现役红外导弹整流罩和机载光电红外光学窗口中的应用。蓝宝石晶体材料独特的光学性能和高强度、高硬度及耐环境腐蚀性能,必将成为未来高超音速中波红外窗口/整流罩的最佳中波红外光学材料,并在各种光电光学元件应用中大放异彩。高品质、大尺寸、低成本、高精度先进光学元件加工制造以及使用环境条件下的性能和应用验证,是蓝宝石材料光电应用未来的发展方向。

  • 图  1   蓝宝石光学整流罩及其光谱透射曲线

    Figure  1.   Transmittance curve of sapphire window

    图  2   蓝宝石的空空导弹整流罩应用[30]

    Figure  2.   Sapphire domes for air-to-air missiles[30]

    图  3   F-35战斗机的光电跟踪系统及其蓝宝石窗口[30]

    Figure  3.   JSF EOTS of F-35 and sapphire windows[30]

    图  4   俄罗斯战机红外光学定位系统及其蓝宝石整流罩[7]

    Figure  4.   Photoelectric systems of Russia and its sapphire domes[7]

    图  5   红外瞄准吊舱及蓝宝石光学窗口[30]

    Figure  5.   Infrared targeting pods and sapphire windows[30]

    图  6   潜艇光电桅杆(上)及蓝宝石光学窗口(下)[32]

    Figure  6.   Optoelectronic masts (up) and sapphire windows (down) [32]

    表  1   蓝宝石导弹整流罩及其直径

    Table  1   Diameters of sapphire for missile domes

    Country Missile Company Diameters of sapphire dome/mm
    America AIM-9X Raytheon 76
    France MICA-IR Sagem 160
    Germany IRIS-T Diehl BGT 100
    S. Africa A-Darter Denel 150
    Israel Python-5 RAFAEL 160
    Britain ASRAAM MBDA 80
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-11-28
  • 修回日期:  2024-04-07
  • 刊出日期:  2025-01-19

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