Optisches Saphirglas: ein Leitfaden

Optischer Saphir, der auch als synthetischer Saphir bezeichnet wird, wird hauptsächlich wegen seiner mechanischen, thermischen und optischen Eigenschaften verwendet. Natürlicher Saphir hingegen wird wegen seiner kosmetischen Eigenschaften als Edelstein in Schmuck verwendet.

Die Verwendung von Saphir in der Optik ist nicht neu, aber hat stark zugenommen, da die Produktionskosten für Saphirkristalle stark gesunken sind und von immer mehr Hersteller von Präzisionsoptiken angeboten werden.

Eigenschaften von optischem Saphir

Es gibt verschiedene Methoden zur Herstellung von Saphirkristallen. Die gängigsten sind: ISM (polykristallin), KY HEM und EFG CZ (monokristallin). Die Eigenschaften der Kristalle können von einem Rohstofflieferanten zum anderen variieren, aber nachstehend sind einige allgemeine Informationen über die Eigenschaften von synthetischem Saphir aufgelistet.

Zusammenfassung der Eigenchaften

Eigenschaft	Daten
Chemische Formel	Al2O3
Aussehen	Farblos, transparent
Schmelzpunkt	2030°C (3686 °F)
Max. Anwendungstemperatur	1900°C
Thermische Leitfähigkeit	41.9 (W/m°K)
Thermische Ausdehnung 20-1000°C	Parallel zur C-Achse: 9,03×10-6 °C Senkrecht zur C-Achse: 8,31×10-6 °C 60° zur C-Achse: 8,4×10-6 °C
Härte	1370 (Knoop Number) – Mohs 9
Zugfestigkeit	400 MPa (8500 PSI)
Biegefestigkeit	1900 MPa (13500 PSI)
Relative Dichte	3.95 – 4.03
Poissonzahl	0.25-0.30
Optische Durchlässigkeit	200 to 5500 nm
Brechungsindex	1.7122
Chemische Beständigkeit	Inert gegenüber Säuren und Laugen und unlöslich in Wasser

Optische Transmissionskurve von Saphir

Wie an der Kurve zu erkennen ist, hat Saphir eine hohe Transmission vom UV (200nm) bis zum IR (MID-IR). Die Transmission kann durch eine Antireflexbeschichtung erhöht werden.

Die Kristallstruktur von Saphir ist nicht isotrop, die Ausrichtung der Kristallstruktur des Materials wirkt sich auf seine optischen Eigenschaften aus.

Anwendungsbereiche von Saphir-Optiken

Saphir wird wegen seiner Härte (Mohs 9 – Knoop 1370) geschätzt, die nur von Diamant übertroffen wird (Mohs 10 – Knoop bis zu 10000). Dies macht das Material Saphir praktisch kratzfest und wird daher häufig für Uhrenfenster und für viele Sicherheitsanwendungen verwendet, indem es Kameras oder Sensoren vor äußeren Angriffen schützt. Saphir wird auch häufig für Mobiltelefonbildschirme verwendet, wird aber zunehmend durch andere Arten von Spezialglas wie Corning Gorilla Glass ersetzt.

Saphir kann auch zur Herstellung von Linsen, Asphären, Prismen oder Wafern verwendet werden. Seine hohe Chemikalien- und Temperaturbeständigkeit ist für Anwendungen mit extreme Bedingungen interessant.

Aufgrund seiner hohen Durchlässigkeit im UV-Bereich wird optischer Saphir oft als Alternative zu Quarzglas verwendet, wenn die äußere Umwelteinflüsse höhere Wiederstandsfähigkeit fordern.

Schließlich wird Saphir auch als Trägermaterial für elektrooptische Komponenten verwendet; die Herstellung von Saphir-Wafern und Saphir-Fenstern mit Metallisierung entwickelt sich rasant.

Wie viel kosten optische Komponenten aus Saphir?

Die Kosten für die Herstellung von optischem Saphir sind in den letzten 10 Jahren durch die Vervielfachung der Produktionsstätten für synthetischen Saphir in der ganzen Welt erheblich gesunken. Da synthetischer Saphir jedoch sehr hart ist, erfordert seine Bearbeitung und Politur spezielle Werkzeuge und eine lange Bearbeitungszeit, was Saphiroptiken teurer macht als die meisten optischen Glasoptiken.

Als Faustregel gilt, dass eine schrittweise Erhöhung der optischen Anforderungen zu einem exponentiellen Preisanstieg führen kann, weshalb es wichtig ist, Saphiroptiken nicht zu hoch zu spezifizieren.

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