蓝宝石窗口片（通常称为蓝宝石玻璃窗口或蓝宝石光学窗口）由单晶合成蓝宝石（Al2O3）制成。凭借其卓越的光学、化学和机械性能，它们在光电等高端领域正变得日益不可或缺。蓝宝石窗口片以其极高的硬度、出色的抗外界侵蚀能力以及宽广的透射波段（涵盖从紫外区的0.17μm到中波红外区的5.5μm）而闻名，广泛应用于各种严苛环境。其典型应用包括激光加工保护窗、触摸屏窗口、探测器窗口、红外光学前端组件等。Shalom EO 撰写的本文将重点探讨蓝宝石窗口片的光学透射特性及其他光学性能，涵盖透射波段、透射率、双折射效应及晶体取向等内容；此外，文中还分析了蓝宝石晶体的不同生长工艺与等级分类。
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蓝宝石窗口片简介
光学窗口片的作用是让特定波长的光线以极低的吸收或畸变率通过，同时保护敏感的光学元件免受恶劣环境的影响。制造光学窗口片时，可供选择的材料多种多样，包括光学玻璃（如常见的 N-BK7、紫外级熔融石英或用于制造透镜的火石玻璃）以及晶体材料（如锗 [Ge] 和氟化钙 [CaF2]，因其优异的红外透过率而常用于制造红外窗口片）。每种光学材料的选择都基于对其光学透过率、机械强度、抗划伤性、热学性能等方面的综合考量与精密工程设计。
蓝宝石单晶（化学成分为氧化铝，Al2O3）长期以来被公认为制造光学窗口片及保护窗口片最耐用、用途最广泛的材料之一。蓝宝石窗口片具有卓越的光学特性，包括从紫外（UV）、可见光（VIS）到中波红外（MWIR）的宽波段透过能力以及低吸收率，能够高效传输光信号。此外，蓝宝石窗口片还具备其他显著特性，如莫氏硬度高达 9（硬度极高）、耐高温、耐化学腐蚀及耐磨损等。这些特性使其成为众多光学应用的热门选择，特别是在对强度、光学清晰度及恶劣环境耐受性有极高要求的场合。例如，蓝宝石窗口片是智能手机触摸屏的理想材料，因为其高硬度既能保护手机内部组件，又不易产生划痕；在探测器应用中，蓝宝石窗口片同样表现出色，其坚硬的特性可保护探测器核心部件，而从紫外到红外的宽波段透过能力则确保了光线的高效传输。
蓝宝石的光学特性
蓝宝石的光学特性是其成为光学窗口片首选材料的关键原因之一。多种因素都会影响蓝宝石的光学性能。本节将探讨蓝宝石的一些关键光学特征，包括透过波段范围、双折射、吸收、反射和折射率，以及影响其光学性能的核心要素。
了解人造蓝宝石
晶体是由原子或分子按特定图案排列而成的固体材料，具有特定的结构和性质。其中，晶体的光学特性是指晶体对光线的吸收、透过、反射和折射行为。晶格内原子或离子的排列方式决定了光与材料的相互作用方式。具有不同对称性（如立方、四方或六方）的晶体会表现出各异的光学特性。因此，要全面了解蓝宝石的光学性质，必须先掌握其结构及基本特征。
与其他晶体一样，蓝宝石晶体的光学性质也取决于其晶格结构。晶格是指晶体内部原子或分子以特定规律排列而成的空间网格结构。不同的晶格结构会对光波的传播与干涉产生重要影响。例如，折射率是衡量晶体光学性质的一个重要参数，它定义为光在物质中的传播速度与在真空中传播速度之比。晶体的折射率与其晶格的周期性密切相关；通常情况下，晶格的周期性越强，晶体的折射率也就越高。
同时，晶体的晶格结构也与其光学性质（如光的吸收、透射和反射）密切相关。晶体对光的吸收过程，本质上是电子吸收能量并从低能态跃迁至高能态的过程。在晶体内部，电子的跃迁受到晶格的制约，只有能量满足特定条件的光子才能被晶体吸收。因此，晶体的吸收光谱由其晶格结构决定。同样，晶体的透射和反射特性也受晶格结构的影响。反射现象通常在晶体经过抛光处理后显现，而透射特性则与晶格对光的散射及吸收作用有关。
除了晶格结构外，能带结构对晶体的光学性质也有重要影响。能带是描述固体中电子能量状态的一种模型。晶体中的电子分布在不同的能带中，其中价带和导带是最为关键的两个能带。价带对应电子处于默认（基态）时的能级，而导带则对应电子能够自由移动的能态。当光照射到晶体上时，光能可激发晶体内的电子从价带跃迁至导带，这一过程被称为光激发。
晶体的能带结构直接影响其光学性质。例如，导带中的电子能够吸收光能并被激发，从而导致光被吸收；反之，如果导带中没有可用的电子，光便无法被晶体吸收。
天然蓝宝石是一种稀有且昂贵的矿物，而光学蓝宝石窗口片则采用合成单晶蓝宝石制造，这提供了一种更具成本效益且易于获取的替代方案。合成蓝宝石的生产已成为一项专业工艺，使制造商能够生产出适用于包括窗口片在内的各种应用场景的大尺寸、无缺陷晶体。合成蓝宝石在本质上是对天然蓝宝石的复刻，但纯度更高，且清澈透明。通过消除杂质和内含物以避免性能下降，合成蓝宝石呈现出无色透明的外观；相比之下，天然蓝宝石往往色彩丰富，其颜色通常源于内部存在的杂质。蓝宝石的化学成分与晶体结构
合成蓝宝石的成分为氧化铝（Al2O3）。蓝宝石有多种类型，而我们使用的技术级或光学级蓝宝石属于α-蓝宝石（alpha-sapphire），通常被称为氧化铝或α-氧化铝。α-蓝宝石具有六方晶体结构，其晶格常数为 a=b=4.758 Å，c=12.991 Å。
蓝宝石的晶体结构使其能够通过受控方式进行生长，从而确保生产出性能一致的高质量材料。晶体取向会对最终制成的蓝宝石窗口片的光学和机械性能产生显著影响。
蓝宝石的生长方法
蓝宝石晶体内部的结构缺陷、位错和杂质会改变光的传播特性。这些缺陷可能导致光散射、吸收或产生额外的吸收带。因此，我们将探讨蓝宝石晶体的生长方法及其质量等级。
蓝宝石的生长方法多种多样，其中包括：
1. Verneuil法：Verneuil法（也称为火焰熔融法）是生长合成蓝宝石晶体最古老、最简单的方法之一。该工艺将氧化铝（Al₂O₃）粉末送入高温火焰中进行熔融。对于那些对蓝宝石晶体质量及光学窗口透光率要求不高的应用场景（例如蓝宝石保护窗或机械部件），Verneuil法因成本低廉而具有优势。
2. EFG法（Stepanov法）：EFG法（也称为Stepanov法）是一种能够实现具有特定几何形状的大尺寸蓝宝石晶体可控生长的技术。与Verneuil法相比，EFG法生产的晶体质量更优，但成本也更高。
3. Czochralski法（CZ法）：Czochralski法（即CZ法）是将蓝宝石籽晶浸入坩埚内的氧化铝（Al₂O₃）熔体中，随后将其缓慢拉出的晶体生长工艺。CZ法在生长具有卓越光学性能和高纯度的蓝宝石方面表现出色。
4. Kyropoulos法（KY法）：Kyropoulos法（即KY技术）是对Czochralski法的改进。与CZ法不同，KY法中的晶体是在坩埚内部形成的；其特点在于采用特定的温度控制工艺，使单晶能够缓慢冷却，从而减少热应力和机械冲击。具体工艺流程如下：
首先，将氧化铝（Al₂O₃）或其他适宜的原料加热至熔点，在坩埚内形成熔体。随后，以受控速率向上提升籽晶。随着籽晶的提升，熔融物在固液界面处发生凝固。通过控制冷却过程来调节凝固速率，使蓝宝石晶体能够自上而下生长形成。 KY生长法通过受控凝固工艺制备出梨形单晶蓝宝石，该方法能最大限度地减少缺陷，从而获得适用于高端光学及工业应用的高品质材料。
图1. Kyropoulos（泡生法）蓝宝石生长工艺
5. HEM：HEM（热交换法）工艺经过优化，可生产出低内应力、无缺陷的大尺寸晶体。然而，该方法需要更精密昂贵的设备，且能耗极高。
6. SAMPAC：SAMPAC（一种在冷却中心进行微拉和扩肩的蓝宝石生长技术）是一种为生长大尺寸蓝宝石晶体而发明的新型生长方法。
目前，仅有HEM、温度梯度法（TGT）和Kyropoulos法等少数几种方法能够生长出光学级大尺寸蓝宝石晶体。然而，虽然热交换法（HEM）生长出的蓝宝石晶体尺寸大且质量优良，但该工艺需要大量昂贵的氦气作为冷却剂。
TGT法生长出的蓝宝石晶体质量与热交换法相当，但其晶体毛坯需要在高温氧化和还原气氛中进行退火处理，且后续加工工序较为复杂。
SAMPAC法是在改进KY法和CZ法的基础上开发出的一种大尺寸蓝宝石晶体生长技术。利用SAMPAC法生长蓝宝石晶体时，整个生长过程可分为四个阶段：引晶、缩颈（扩肩）、等径生长以及退火与冷却。
SAMPAC法的主要优势包括：
1. 能够确保获得大尺寸晶体，且在整个结晶过程中晶体取向保持良好；
2. 仅需极微量的提拉动作即可启动工艺，从而减少了对温度场的扰动，使温度场分布更均匀；
3. 晶体生长过程中不接触坩埚壁，且整个生长期间无需将晶体从坩埚中拉出；
4. 晶体内部温差小，可有效降低热应力；热交换器采用水作为工作介质，并支持晶体原位退火。 Shalom EO 采用 Kyropoulos 法（KY 法）和 SAPMAC 法生长的合成蓝宝石来制造蓝宝石窗口片（点击此处了解更多关于 Kyropoulos 法生长蓝宝石的信息）。这些先进的蓝宝石生长技术使我们能够提供大尺寸、光学性能经优化且机械性能卓越的蓝宝石窗口片，以满足广泛的应用需求。
等级
蓝宝石晶体的质量，唯有通过综合评估其光学与物理特性的各项指标，方能准确判定。
尽管业界对于蓝宝石的质量分级尚未达成统一共识，但从宏观角度来看，根据预期用途，蓝宝石大致可分为三大等级：
高级蓝宝石：此类蓝宝石在生长过程中晶格位错和缺陷较少，从而将光散射或吸收损耗降至最低甚至完全消除。它们适用于对光学性能要求极高的应用场景，例如光学窗口、透镜及各类光学元件等。
紫外（UV）级蓝宝石：紫外级蓝宝石经过特殊处理，旨在减少晶体内部的氧空位或F心（色心）。该类蓝宝石不具备紫外吸收峰，且具有极强的抗紫外线致暗（UV darkening）能力，能够满足紫外波段应用的需求。
低级蓝宝石：低级蓝宝石存在较多缺陷，如光散射或晶格畸变。此类蓝宝石适用于机械零部件等对光学畸变不敏感的应用领域。
下图是按光学和技术质量等级对蓝宝石进行分类的补充图表，其中1至4级被视为适用于光学用途的质量等级，而5至6级则被视为适用于机械及其他技术用途的质量等级：
蓝宝石的光学透射波长范围与吸收特性
蓝宝石窗口片在很宽的波长范围内保持透明，涵盖了从紫外（UV）波段的170纳米（nm）到红外（IR）波段的5.5微米（µm）。这种宽广的透射范围使蓝宝石成为多光谱光学应用的理想材料。在紫外波段，蓝宝石窗口片不会发生“紫外变暗”现象（即材料因吸收紫外辐射而导致光学性能改变的现象）。相比之下，易受紫外变暗影响的材料制成的窗口片会出现发黄或变色。紫外级蓝宝石窗口片具有极佳的抗紫外线辐射能力，因此非常适合用作实验室及太空望远镜中的紫外窗口和观察窗。蓝宝石以其卓越的透射性能著称，特别是在紫外、可见光和红外波段。这是因为其晶格中强共价键的存在，使得光线的散射和吸收降至最低。
此外，得益于蓝宝石固有的高结构强度，其窗口片可以做得比其他材料的窗口片更薄，从而进一步提升了光学透射率。
吸收损耗是光学窗口面临的另一个重要问题，即光功率被吸收后转化为热能。蓝宝石凭借其优异的热学性能，能有效应对这种发热问题。在可见光和近红外波段，蓝宝石的吸收率极低，这使其成为制造光学窗口、透镜及其他光学元件的理想材料。其晶格结构也会影响吸收光谱，特别是在可能发生电子跃迁的特定波长处（例如紫外波段）。
未镀膜蓝宝石窗口片从紫外波段到1100纳米（nm）的透射率
未镀膜蓝宝石窗口片在 2.5μm 至 8.0μm 波段的透过率
蓝宝石（Al₂O₃）是一种具有六方晶格结构（刚玉晶系的一种变体）的氧化铝晶体。该晶格的周期性和对称性显著影响了光在晶体中的传播。
双折射与取向
双折射（birefringence）是材料的一种特性，即光在穿过材料时，会因偏振方向的不同而经历不同的折射率。这会导致光束分裂为两束光（寻常光和非寻常光），这两束光分别以不同的速度沿不同的路径传播。
通过选择合适的切割取向，可以控制蓝宝石的双折射特性，从而使制造商能够针对特定的光学应用优化该材料。
蓝宝石具有相对较高的折射率，在可见光波段通常约为 1.76。这归因于其晶格规则且强烈的周期性，确保了穿过其中的光波发生一致的偏折。晶格的高度对称性导致了不同方向上折射率的显著差异，使蓝宝石成为一种各向异性材料（即其折射率随晶体取向而变化）。
蓝宝石属于单轴双折射晶体（尽管其双折射效应较弱），其光轴为 c 轴 <0001>。对于光学窗口等应用而言，双折射通常是不希望出现的特性，因为该效应会导致光学畸变和图像质量下降，从而影响需要清晰、无畸变透射的光学系统性能。下图展示了蓝宝石晶体的双折射和折射率特性：
图4. 蓝宝石的折射率
晶体取向是指晶体晶格内原子、离子或分子的排列方式，以及这些微观结构相对于晶体外表面的取向关系。在制造蓝宝石窗口片时，晶体取向至关重要，因为它会影响双折射、热膨胀以及其他重要的性能与行为。蓝宝石窗口片的取向是在切割/切片阶段确定的。
C-cut（C轴切割）蓝宝石窗口片——也称为c-plane（c面）、z-cut（z轴切割）或0°面切割蓝宝石窗口片——是最常用的切割取向，旨在平衡适度的双折射与优化的透射率。C-cut是指沿蓝宝石晶体的C轴（即[0001]晶轴）进行的切割；该方向垂直于蓝宝石晶体的基面。C-cut蓝宝石窗口片的一个关键优势在于，它能将沿C轴方向的双折射降至最低。这是因为C轴是晶体结构中各向异性程度最低的方向，从而导致极低甚至可忽略不计的双折射；这使得C-cut蓝宝石窗口片成为某些应用的首选，特别是那些要求光学信号真实传输的应用场景（例如激光窗口片）。
其他常见的蓝宝石窗口片取向或晶面包括A面（A-plane）、M面（M-plane）、R面（R-plane）和随机切割（Random-cut），每种取向都表现出不同的光学、机械或热学特性。蓝宝石各取向的具体特性如下：
A面（11-20）蓝宝石：A面（11-20）蓝宝石窗口片表现出卓越的机械硬度和抗划伤性能。A-cut蓝宝石衬底适用于III-V族氮化物、超导体和磁性薄膜的薄膜生长，具有晶格失配小以及化学/物理性能可靠的特点。A面蓝宝石具有高导热性，使其成为太阳能电池及其他高科技应用的理想选择。
M面（10-10）蓝宝石：M面（10-10）蓝宝石窗口片或衬底通常用于MgxZn1-xO薄膜的外延生长。 R面（1-102）蓝宝石：R面蓝宝石衬底是用于微电子集成电路（IC）应用中硅异质外延沉积的首选材料。
任意取向切割（Random-Cut）蓝宝石窗口：与具有特定切割取向的产品不同，任意取向切割蓝宝石窗口是指未特意选择特定切割取向的蓝宝石窗口。这类窗口通常用于对轻微双折射现象不敏感的应用场景。
蓝宝石的紫外吸收峰
在蓝宝石的生长过程中，特别是在高纯度和高温（如超过2000°C）条件下，材料往往是在还原性气氛环境中生长的。这可能导致氧原子流失，从而形成氧空位或F心（F-centers）。F心（也称为色心）是一种缺陷，即蓝宝石晶体中产生氧空位，且该空位被电子填充。这些缺陷能够吸收光线，进而影响材料的光学透过率。
氧缺陷或 F-心（F-centers）的引入会导致特定的吸收带，其中最显著的是在 200 nm 附近，这恰好对应于蓝宝石的深紫外吸收峰。这种吸收现象的产生，是因为 F-心能够吸收能量与材料带隙及缺陷态相匹配的光子。
为解决这一问题，杭州 Shalom EO 推出了紫外级蓝宝石窗口片；该产品经过特殊工艺制造，消除了氧缺陷，从而确保在关键的 200 nm 紫外波长处不出现吸收峰。
我司紫外级蓝宝石窗口片的光学透过率曲线如下所示：
a. 我司紫外级蓝宝石窗口片的光学透过率曲线（未镀膜）
b. 紫外级蓝宝石窗口片（D57.15x4mm，无镀膜）的光学透射曲线
c. D65.15x4mm 紫外级蓝宝石窗口片（未镀膜）的光学透射曲线
为了最大限度地减少此类缺陷的产生，生长过程受到严格控制。在晶体生长过程中采用富氧气氛并保持低温度梯度，有助于减少氧空位的形成，从而提升蓝宝石的整体质量。
蓝宝石生长完成后，通常会在富氧气氛中进行各种退火处理，以修复缺陷并恢复材料的透明度（特别是在紫外波段）。这一过程有助于减轻F-心（F-centers）带来的影响，并改善光学性能。
这使得我们的紫外级蓝宝石窗口片成为需要紫外光高透射率（无显著吸收）应用场景的理想选择，例如紫外光谱仪、激光系统及科学研究领域。
增透（AR）膜蓝宝石窗口片
通过在蓝宝石基底上沉积增透（AR）薄膜，可以进一步提高蓝宝石窗口片的光学透射率。蓝宝石材料本身以其卓越的硬度、耐用性、抗划伤与抗腐蚀能力，以及在紫外、可见光和红外波段的良好透射性能而著称。结合增透膜后，它不仅适用于相机、传感器及其他成像设备等各类高性能光学系统，还能胜任其他材料难以承受的恶劣工作环境。
影响蓝宝石窗口片光学性能的其他因素
温度：受晶格热膨胀及电子特性变化的影响，蓝宝石窗口片的光学性能（如折射率和吸收系数）会随温度变化而改变。
应变与应力：晶格内部的机械应变会改变折射率，进而影响光学性能，这一现象在各向异性材料中尤为明显。对于需要精确控制光学特性的应用而言，这一点至关重要。
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