Trong lĩnh vực quang học tiên tiến và khoa học vật liệu chính xác, oxit nhôm đơn tinh thể (Al2O3) thường được gọi là corundum phục vụ như một vật liệu nền tảng.Mặc dù ruby tổng hợp và sapphire công nghiệp là hóa học giống hệt nhau ở cấp độ lưới chủ, việc cố ý đưa ra (hoặc không có) các chất kích thích dấu vết tạo ra một sự tách biệt chức năng quyết định giữa hai chất này¢m tinh thể chị em. ¢m
Đối với các kỹ sư laser, các nhà thiết kế quang học, và các nhà khoa học vật liệu, hiểu về vật lý, quang học,và ranh giới nhiệt động học giữa ruby và sapphire là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, độ tin cậy, và tuổi thọ.
Cả ruby và sapphire đều kết tinh trong hệ thống tinh thể tam giác với đối xứng rhombohedral (nhóm không gian R-3c).Giai đoạn lưới corundum chung của chúng mang lại cho chúng sự kết hợp hiếm hoi của các tính chất siêu vật liệu.:
Độ cứng cực kỳ
Độ cứng Mohs là 9.0, chỉ vượt qua bằng kim cương và moissanite.
Độ dẫn nhiệt cao
Khoảng 30 ̊35 W·m−1 ̊K−1 ở nhiệt độ phòng (tùy thuộc định hướng), cao hơn đáng kể so với hầu hết các kính quang học và nhiều đồ gốm laser.
Chất hóa học và không hoạt động của môi trường
Chống đặc biệt cho axit, kiềm, bức xạ, và oxy hóa ở nhiệt độ cao.
Sự khác biệt chức năng xảy ra ở mức thay thế ion:
Ruby tổng hợp
Các ion crôm (Cr3+) thay thế cho một phần nhỏ các ion nhôm (Al3+) trong lưới Al2O3, thường ở nồng độ 0,03 ∼ 0,5%.
Sapphire công nghiệp
Vẫn không được sử dụng hoặc Al2O3 độ tinh khiết cực cao, được tối ưu hóa cho tính minh bạch quang học, sức mạnh cơ học và ổn định nhiệt.
Điều quan trọng là, cả hai vật liệu đều giữ lại cùng một lưới chủ (Al2O3); chỉ có trạng thái năng lượng điện tử khác nhau do chất kích thích.
Ruby tổng hợp giữ một vị trí độc đáo trong lịch sử laser như là môi trường tăng tích cực đầu tiên được sử dụng trong một laser hoạt động, được chứng minh bởi Theodore H. Maiman vào năm 1960.
Ruby hoạt động như một hệ thống laser ba cấp, điều này về cơ bản phân biệt nó với các laser trạng thái rắn bốn cấp hiện đại.
Thấm bơm
Các ion Cr3 + hấp thụ ánh sáng xanh và xanh lá cây băng tần rộng (≈ 400 ∼ 560 nm), thường từ đèn pin xenon.
Dân số tiểu bang siêu ổn định
Sự thư giãn không phóng xạ lấp đầy siêu ổn định2E ^ 2E2ENhà nước.
Khí thải kích thích
Phát xạ laser xảy ra ở 694,3 nm (màu đỏ sâu), tương ứng với2E→4A2^2E → ^4A_2quá trình chuyển đổi.
Bởi vì mức laser thấp hơn là trạng thái cơ bản, mật độ năng lượng bơm cao là cần thiết để đạt được đảo ngược dân số.
Khả năng năng lượng xung cao
Máy laser Ruby xuất sắc trong việc tạo ra các xung năng lượng cao, thời gian ngắn, mặc dù với tỷ lệ lặp lại thấp.
Độ bền cơ khí và nhiệt
Các thanh ruby đơn tinh thể chịu được việc bơm quang mạnh mẽ và sốc cơ học tốt hơn nhiều so với các phương tiện gia tăng dựa trên thủy tinh.
Sự ổn định quang phổ đặc biệt
Độ dài sóng phát xạ cố định với trôi nhiệt tối thiểu.
Mặc dù phần lớn bị thay thế trong cắt laser công nghiệp, laser ruby vẫn là thiết yếu trong:
Da liễu (loại bỏ hình xăm và vết loét sắc tố)
Holographic interferometry và ghi âm holographic
Vật lý tỷ lệ căng cao và chẩn đoán plasma
Nguồn tham khảo đo lường chính xác
Ngược lại với vai trò của ruby như một nhà tạo ra ánh sáng, sapphire không doped chủ yếu hoạt động như một vật liệu quang học và cấu trúc thụ động.
Safir công nghiệp có một trong những cửa sổ truyền rộng nhất trong số các tinh thể quang học:
Phạm vi truyền:
~ 200 nm (Deep UV) đến 5,0 ∼ 5,5 μm (Mid-IR), tùy thuộc vào độ tinh khiết và định hướng tinh thể.
Mức ngưỡng thiệt hại do laser gây ra (LIDT):
Trong số các vật liệu quang học cao nhất, làm cho sapphire lý tưởng cho các hệ thống laser công suất cao và lưu lượng cao.
Phân phối chùm tia laser và đồng nhất hóa
Các thanh sapphire hoạt động như những hướng dẫn ánh sáng hoặc đồng hóa nơi silica hoặc thủy tinh đã tan chảy sẽ bị gãy nhiệt hoặc bị hư hỏng bề mặt.
Các thành phần quản lý nhiệt
Cửa sổ và thanh sapphire phục vụ như các bộ phân tán nhiệt quang học trong laser trạng thái rắn bơm diode và hệ thống LED công suất cao.
Môi trường khắc nghiệt
Được sử dụng rộng rãi trong các buồng CVD bán dẫn, hệ thống chân không và cổng quang áp suất cao.
Khi được doped với ion titan (Ti3 +), sapphire trở thành Ti: sapphire, tinh thể laser có thể điều chỉnh quan trọng nhất cho:
Sản xuất xung femtosecond siêu ngắn
Điều chỉnh bước sóng từ ~650~1100 nm
Từ quan điểm phân loại vật liệu, Ti: sapphire không phải là ruby hoặc sapphire công nghiệp, mà là một tinh thể laser hoạt động riêng biệt.
| Tài sản | Dây Ruby tổng hợp (Cr3+:Al2O3) | Dây saphir công nghiệp (Al2O3) |
|---|---|---|
| Chức năng chính | Trung bình tăng tích cực | Thành phần quang học thụ động |
| Hoạt động laser | Vâng. | Không. |
| Khả năng phát thải / truyền tải | 694.3 nm (còn cố định) | 0.2·5.5 μm (band rộng) |
| Khả năng dẫn nhiệt | Cao | Tuyệt vời (chống sốc nhiệt cao hơn) |
| Sự xuất hiện quang học | Đỏ sâu (Cr3+ hấp thụ) | Không màu / trong suốt tinh thể |
| Các trường hợp sử dụng điển hình | Máy laser ruby xung, đo lường | Cửa sổ laser, dẫn sóng, công cụ bán dẫn |
Bạn đang thiết kế hoặc duy trì một hệ thống laser xung 694.3 nm
Ứng dụng của bạn dựa trên các chuyển đổi điện tử Cr3 + cụ thể
Bạn cần một yếu tố tham chiếu hiển thị cao (ví dụ, đầu thăm dò CMM, tiêu chuẩn sắp xếp)
Bạn cần truyền sóng băng thông rộng UVVisibleIR
Hệ thống của bạn hoạt động dưới lưu lượng laser cao hoặc mật độ năng lượng
Môi trường bao gồm nhiệt độ cực cao, tiếp xúc với hóa chất hoặc chân không
Trong hệ thống phân cấp các vật liệu quang học, ruby tổng hợp hoạt động như một động cơ quang học, tích cực tạo ra ánh sáng laser màu đỏ hợp nhất, trong khi sapphire công nghiệp phục vụ như một siêu xa lộ,✓ hướng dẫn và quản lý các photon năng lượng cao an toàn trong môi trường khắc nghiệt.
Đối với các hệ thống bán dẫn hiện đại, hàng không vũ trụ và quang học công suất cao, việc lựa chọn không phải là vấn đề chất lượng mà là chức năng:
Liệu tinh thể có nên tham gia tích cực vào việc tạo ra ánh sáng, hay đóng vai trò là một người bảo vệ không khuất phục của tính toàn vẹn quang học?
Trong lĩnh vực quang học tiên tiến và khoa học vật liệu chính xác, oxit nhôm đơn tinh thể (Al2O3) thường được gọi là corundum phục vụ như một vật liệu nền tảng.Mặc dù ruby tổng hợp và sapphire công nghiệp là hóa học giống hệt nhau ở cấp độ lưới chủ, việc cố ý đưa ra (hoặc không có) các chất kích thích dấu vết tạo ra một sự tách biệt chức năng quyết định giữa hai chất này¢m tinh thể chị em. ¢m
Đối với các kỹ sư laser, các nhà thiết kế quang học, và các nhà khoa học vật liệu, hiểu về vật lý, quang học,và ranh giới nhiệt động học giữa ruby và sapphire là rất cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, độ tin cậy, và tuổi thọ.
Cả ruby và sapphire đều kết tinh trong hệ thống tinh thể tam giác với đối xứng rhombohedral (nhóm không gian R-3c).Giai đoạn lưới corundum chung của chúng mang lại cho chúng sự kết hợp hiếm hoi của các tính chất siêu vật liệu.:
Độ cứng cực kỳ
Độ cứng Mohs là 9.0, chỉ vượt qua bằng kim cương và moissanite.
Độ dẫn nhiệt cao
Khoảng 30 ̊35 W·m−1 ̊K−1 ở nhiệt độ phòng (tùy thuộc định hướng), cao hơn đáng kể so với hầu hết các kính quang học và nhiều đồ gốm laser.
Chất hóa học và không hoạt động của môi trường
Chống đặc biệt cho axit, kiềm, bức xạ, và oxy hóa ở nhiệt độ cao.
Sự khác biệt chức năng xảy ra ở mức thay thế ion:
Ruby tổng hợp
Các ion crôm (Cr3+) thay thế cho một phần nhỏ các ion nhôm (Al3+) trong lưới Al2O3, thường ở nồng độ 0,03 ∼ 0,5%.
Sapphire công nghiệp
Vẫn không được sử dụng hoặc Al2O3 độ tinh khiết cực cao, được tối ưu hóa cho tính minh bạch quang học, sức mạnh cơ học và ổn định nhiệt.
Điều quan trọng là, cả hai vật liệu đều giữ lại cùng một lưới chủ (Al2O3); chỉ có trạng thái năng lượng điện tử khác nhau do chất kích thích.
Ruby tổng hợp giữ một vị trí độc đáo trong lịch sử laser như là môi trường tăng tích cực đầu tiên được sử dụng trong một laser hoạt động, được chứng minh bởi Theodore H. Maiman vào năm 1960.
Ruby hoạt động như một hệ thống laser ba cấp, điều này về cơ bản phân biệt nó với các laser trạng thái rắn bốn cấp hiện đại.
Thấm bơm
Các ion Cr3 + hấp thụ ánh sáng xanh và xanh lá cây băng tần rộng (≈ 400 ∼ 560 nm), thường từ đèn pin xenon.
Dân số tiểu bang siêu ổn định
Sự thư giãn không phóng xạ lấp đầy siêu ổn định2E ^ 2E2ENhà nước.
Khí thải kích thích
Phát xạ laser xảy ra ở 694,3 nm (màu đỏ sâu), tương ứng với2E→4A2^2E → ^4A_2quá trình chuyển đổi.
Bởi vì mức laser thấp hơn là trạng thái cơ bản, mật độ năng lượng bơm cao là cần thiết để đạt được đảo ngược dân số.
Khả năng năng lượng xung cao
Máy laser Ruby xuất sắc trong việc tạo ra các xung năng lượng cao, thời gian ngắn, mặc dù với tỷ lệ lặp lại thấp.
Độ bền cơ khí và nhiệt
Các thanh ruby đơn tinh thể chịu được việc bơm quang mạnh mẽ và sốc cơ học tốt hơn nhiều so với các phương tiện gia tăng dựa trên thủy tinh.
Sự ổn định quang phổ đặc biệt
Độ dài sóng phát xạ cố định với trôi nhiệt tối thiểu.
Mặc dù phần lớn bị thay thế trong cắt laser công nghiệp, laser ruby vẫn là thiết yếu trong:
Da liễu (loại bỏ hình xăm và vết loét sắc tố)
Holographic interferometry và ghi âm holographic
Vật lý tỷ lệ căng cao và chẩn đoán plasma
Nguồn tham khảo đo lường chính xác
Ngược lại với vai trò của ruby như một nhà tạo ra ánh sáng, sapphire không doped chủ yếu hoạt động như một vật liệu quang học và cấu trúc thụ động.
Safir công nghiệp có một trong những cửa sổ truyền rộng nhất trong số các tinh thể quang học:
Phạm vi truyền:
~ 200 nm (Deep UV) đến 5,0 ∼ 5,5 μm (Mid-IR), tùy thuộc vào độ tinh khiết và định hướng tinh thể.
Mức ngưỡng thiệt hại do laser gây ra (LIDT):
Trong số các vật liệu quang học cao nhất, làm cho sapphire lý tưởng cho các hệ thống laser công suất cao và lưu lượng cao.
Phân phối chùm tia laser và đồng nhất hóa
Các thanh sapphire hoạt động như những hướng dẫn ánh sáng hoặc đồng hóa nơi silica hoặc thủy tinh đã tan chảy sẽ bị gãy nhiệt hoặc bị hư hỏng bề mặt.
Các thành phần quản lý nhiệt
Cửa sổ và thanh sapphire phục vụ như các bộ phân tán nhiệt quang học trong laser trạng thái rắn bơm diode và hệ thống LED công suất cao.
Môi trường khắc nghiệt
Được sử dụng rộng rãi trong các buồng CVD bán dẫn, hệ thống chân không và cổng quang áp suất cao.
Khi được doped với ion titan (Ti3 +), sapphire trở thành Ti: sapphire, tinh thể laser có thể điều chỉnh quan trọng nhất cho:
Sản xuất xung femtosecond siêu ngắn
Điều chỉnh bước sóng từ ~650~1100 nm
Từ quan điểm phân loại vật liệu, Ti: sapphire không phải là ruby hoặc sapphire công nghiệp, mà là một tinh thể laser hoạt động riêng biệt.
| Tài sản | Dây Ruby tổng hợp (Cr3+:Al2O3) | Dây saphir công nghiệp (Al2O3) |
|---|---|---|
| Chức năng chính | Trung bình tăng tích cực | Thành phần quang học thụ động |
| Hoạt động laser | Vâng. | Không. |
| Khả năng phát thải / truyền tải | 694.3 nm (còn cố định) | 0.2·5.5 μm (band rộng) |
| Khả năng dẫn nhiệt | Cao | Tuyệt vời (chống sốc nhiệt cao hơn) |
| Sự xuất hiện quang học | Đỏ sâu (Cr3+ hấp thụ) | Không màu / trong suốt tinh thể |
| Các trường hợp sử dụng điển hình | Máy laser ruby xung, đo lường | Cửa sổ laser, dẫn sóng, công cụ bán dẫn |
Bạn đang thiết kế hoặc duy trì một hệ thống laser xung 694.3 nm
Ứng dụng của bạn dựa trên các chuyển đổi điện tử Cr3 + cụ thể
Bạn cần một yếu tố tham chiếu hiển thị cao (ví dụ, đầu thăm dò CMM, tiêu chuẩn sắp xếp)
Bạn cần truyền sóng băng thông rộng UVVisibleIR
Hệ thống của bạn hoạt động dưới lưu lượng laser cao hoặc mật độ năng lượng
Môi trường bao gồm nhiệt độ cực cao, tiếp xúc với hóa chất hoặc chân không
Trong hệ thống phân cấp các vật liệu quang học, ruby tổng hợp hoạt động như một động cơ quang học, tích cực tạo ra ánh sáng laser màu đỏ hợp nhất, trong khi sapphire công nghiệp phục vụ như một siêu xa lộ,✓ hướng dẫn và quản lý các photon năng lượng cao an toàn trong môi trường khắc nghiệt.
Đối với các hệ thống bán dẫn hiện đại, hàng không vũ trụ và quang học công suất cao, việc lựa chọn không phải là vấn đề chất lượng mà là chức năng:
Liệu tinh thể có nên tham gia tích cực vào việc tạo ra ánh sáng, hay đóng vai trò là một người bảo vệ không khuất phục của tính toàn vẹn quang học?
