盘点蓝宝石材料在军用光电设备上的应用

蓝宝石(Sapphire)，是刚玉宝石中除红宝石(Ruby)之外，其它颜色刚玉宝石的通称，主要成分是氧化铝（Al2O3）。蓝色的蓝宝石，是由于其中混有少量钛（Ti）和铁（Fe）杂质所致；蓝宝石的颜色，可以有粉红、黄、绿、白、甚至在同一颗石有多种颜色。

蓝宝石最大的特点是颜色不均，可见平行六方柱面排列的，深浅不同的平直色带和生长纹。聚片双晶发育，常见百叶窗式双晶纹。裂理多沿双晶面裂开。二色性强，世界不同产地的蓝宝石除上述共同的特点之外，亦因产地不同各具特色。

蓝宝石晶体材料的主要性能

（1）白宝石晶体有很好的透光性能，其透光范围为0.15~7.5微米，覆盖了紫外、可见、近红外、中红外等波段。

（2）它的膨胀系数仅为5x10-6/度，熔点为2050度，工作温度可达1900度，具有优秀的耐热冲击和耐高温性能。

（3）它有很好的机械性能，其硬度可达莫氏9级，同时还有很好的抗压强度、压缩强度和弯曲强度。

（4）它有很好的封装性能，能使密闭系统保持高真空状态，即使受冷热强冲击也不产生任何泄漏现象。

（5）它有很好的抗辐射性能和电绝缘性能。

军用光电设备上的观察窗口所使用的蓝宝石是一种纯度极高的无色蓝宝石。各种高性能、宽波段、多光谱军用光电设备的多个传感器共用一个的观察窗口,例如可见光和中波红外的机载观察窗口,其要求直径在450mm左右,最好直径在600mm或600mm以上。大直径的蓝宝石窗口当前被认为是机载光电系统的关键零件。国外的研究人员正在通过多种有效的单晶生长方法,人工制造出大块的蓝宝石单晶,以满足各种军用光电探测设备的需求。

目前,有关蓝宝石材料在军用光电设备上具体应用的报道还较少,在一些文章中只是简要提及。根据我们对国外现有的资料分析与研究,蓝宝石的应用大致归结为如下几个方面:

、、光电吊舱、无人飞机等

红外、电视、激光、    

 
        战斗机光电吊舱

无人飞机的光电吊舱设备

在空间技术飞速发展的今天，卫星导航定位，飞行器测控、制导、通讯和数据传输，地面目标的定位等都需要精密的时间和频率基准，目前高精度的时间和频率标准都采用原子钟。我国正在论证和实施的二代导航卫星系统，星上都必须采用高精度的原子钟作为时间与频率基准。根据我国现有的工业基础和技术基础，以及地面用原子钟的国产能力，研制小型化的能满足二代导航卫星使用要求的星载氢原子钟。

星载光电设备——原子钟谐振腔

光电跟踪仪、红外警戒系统、光电对抗设备；

舰载光电设备——光电跟踪仪

舰载光电设备——红外警戒系统

潜艇潜望镜,潜艇光电桅杆,深潜器等;

潜艇光电桅杆

高能激光武器、光电跟踪仪、红外警戒系统、光电对抗设备。

激光武器

光电跟踪仪&  红外警戒系统

    陆基-坦克光电对抗系统

蓝宝石窗口作为一个性能优良的宽波段光学材料在军用光电设备上的应用,其时间并不很长。在60年代,美国军事部门已经对此有所研究,蓝宝石窗口真正获得较大范围的应用和发展是在80年代,这与计算机控制的光学加工机床的发展密切相关的。蓝宝石合成技术和窗口加工工艺的成熟,这又为蓝宝石加速在军事上的广泛应用创造了必要的条件。

在国外发达国家,军方正在把蓝宝石作为一种常用光学窗口材料应用在紫外波段和可见光到中波红外波段的各种军用光学传感器上。

在国外报道中,我们也看到一些非常明确的应用。例如70年代美国航空与空间管理局选择用HEM方法生产的蓝宝石应用在卫星上。90年代,美国梅勒光学系统公司(MELLEROPTICS,INC.。2001年,美国军方向Exotic光电分公司订购了88件蓝宝石窗口,装备F-16战斗机的的机载前视红外目标导航吊舱。2000年英国泰利斯光电子签订了3300万美元的光电桅杆合同,生产6根CM010光电桅杆。CM010光电桅杆的观察窗口全部采用蓝宝石材料。英国的CM010潜艇光电桅杆在最初设计时,充分考虑了观察头的隐身性,将电子成像系统设计成由三个传感器共用一个观察窗(3~5Lm热像仪、高清晰度黑白电视摄像机和彩色电视摄像机),其窗口材料采用的是目前性能最好的蓝宝石。此外,澳大利亚海军也订购了英国的CM010光电桅杆,计划换装柯林斯级攻击潜艇上的CH093攻击潜望镜。

另据报道,美国雷声公司研制的Al2O3厚保护膜已用于潜艇传感器蓝宝石加热窗口上。,采用隐身设计,同时采用3~5Lm的热像仪。据我们分析,美国正在建造的弗吉尼亚核潜艇配置两根第三代光电桅杆即AN/BVS-1型光电桅杆,首选的窗口材料可能也是蓝宝石。

蓝宝石材料不仅能解决光电桅杆光透射问题,而且它能很好地解决光电桅杆窗口所要求的消冰防雾、耐压及抗破裂等技术问题。最近,我们从国外所报道的资料获知,仅美国生产的蓝宝石窗口至少在1000套以上。可以预料,今后随着3~5Lm热像仪性能提高,采用蓝宝石的观察窗也是一种必然的发展趋势。因此,蓝宝石是一种大有发展前景窗口材料,这是值得我们注意的。

军用光电设备涉及陆海空三军的许多使用领域,对使用工作环境要求也不尽相同。例如,海军光电设备主要指海军的机载光电吊舱、、舰用光电跟踪仪、红外跟踪和搜索系统、潜艇潜望镜、潜艇光电桅杆和光电浮标等。这些光电传感器系统大都具有目标搜索、跟踪和警戒的功能。为了使光电设备实现小型化和达到隐身的目的,设计人员往往需要把几种不同的传感器如可见光摄像机、中波红外摄像机和激光测距仪等,综合设计在同一台光电设备上。这必然又要解决多个传感器系统通过一个共用多光谱窗口进行观察的问题。如果,一台光电设备上有两个或两个以上的窗口,那么,从隐身、小型化和密封耐压等方面考量都是不利的。

从技术的角度讲,考虑采用多光谱共用观察窗口,实现一窗多用,这是最佳的方案。但多光谱窗口材料的选择以及大孔径窗口的尺寸要求又会带来诸多技术的难题。由于这些光电设备都配置了不同性能的红外传感器,因此,红外窗口材料成为红外传感器系统的关键部件之一。

目前,大于300mm直径的观察窗口,唯一可选用的红外材料是硫化锌(ZnS)。但ZnS的断裂强度约为69Mpa(10,000psi),做成这样大面积的观察窗其厚度在20mm或20mm以上。像这样厚度的ZnS窗口很重,价格昂贵,相对硬度又较软,而且光学散射很大。这对机载光电跟踪和监视系统来说不是很理想的。相对而言,蓝宝石却能满足上述多光谱窗口的性能要求,而且厚度还不到10mm。