蓝宝石（化学式：Al2O3）是一种透明材料，具备极高的机械韧性与强度，以及优异的热学、介电和耐腐蚀性能。它拥有从紫外到中红外波段的宽光谱透过率，且硬度极高（莫氏硬度达9级），具有极强的抗刮擦能力。此外，蓝宝石在高温环境下仍能保持稳定，其熔点高达2030℃。正因如此，蓝宝石在工业部件、国防、科学研究及医药等众多领域备受青睐。在涉及高热负荷、高压、耐刮擦与耐磨损、腐蚀性环境以及低摩擦要求等应用场景中，蓝宝石正日益成为制造固体激光器、光学窗口、半导体衬底及各类光学元件的首选材料。
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蓝宝石的结构：
蓝宝石属于刚玉（Corundum），其成分为氧化铝（Al₂O₃），呈六方或立方结构的规则、周期性且重复排列的三维晶体形态。
迄今为止，已确认的蓝宝石类型包括 Gamma、Beta、Alpha、Eta、Zeta、Theta、Kappa、Rho 和 Chi 九种。用于制造蓝宝石窗口片的蓝宝石为 Alpha 型蓝宝石，是通过特定的人工方法在实验室和工厂中生产的。这种蓝宝石（或称蓝宝石玻璃）无色透明，具有极高的 Al₂O₃ 纯度，不含水分，且相比天然蓝宝石拥有更规整、可预测的微观结构，从而能更好地满足工业及光学级的应用要求。值得注意的是，所有蓝宝石均为单晶体；在生长和切割过程中，会严格避免产生亚晶粒。
Alpha 型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。用于制造蓝宝石窗口片的 Alpha 型蓝宝石的原子结构如下图所示。图示左半部分显示，Alpha 型蓝宝石由呈六方最密堆积排列的氧化物层构成，且八面体空隙中有三分之二被 Al³⁺ 离子填充。图示右半部分展示了按特定方式排列的六层 Al₂O₃ 晶胞结构。每一层包含 3 个氧化物原子，总计 18 个氧化物原子。就铝（Al）原子而言，第 1 层和第 4 层各包含 2 个 Al 原子，其余 4 层各包含 3 个 Al 原子，总计包含 12 个 Al 原子。
α型单晶蓝宝石（α-Al₂O₃）的原子结构
蓝宝石的晶体取向：
晶体取向是一个矢量，用于描述连接晶格上任意两点的直线方向。由于晶体具有各向异性，原子在不同方向或不同晶面上的分布与排列方式各不相同。因此，即使是相同的晶体，若取向不同，其特性与表现也会存在显著差异。正因如此，在制造用于不同用途的组件和元件时，选择正确的晶体取向和切割面至关重要。在蓝宝石的生长及切割（或切片）过程中，会根据预期的最佳性能需求来确定其晶体取向。
蓝宝石的内部晶格呈六方结构排列。在制造过程中，晶体内部结构的取向会对其功能特性产生影响。
如下图所示，蓝宝石窗口片通常具有以下几种晶体取向：“a”、“c”、“n”和“m”。蓝宝石具有微弱的双折射特性，因此在对光学性能要求严格的应用场景中，应指定使用“零度（zero degrees）”或“c-切向（c-cut）”的窗口片。C-切向蓝宝石是沿垂直于c轴（即蓝宝石光轴）的方向切割而成的，从而消除了双折射效应。而在用于保护和封装（例如腕表表镜）的场合，则常采用A-切向蓝宝石；这种蓝宝石沿垂直于a轴的方向切割，具备极高的机械硬度和抗划伤性能。若未作特殊指定，组件通常采用“随机（random）”切向；值得注意的是，随机切向通常与光轴呈60°夹角，因为这是切割加工时“最软”的方向。随机切向蓝宝石因成本较低而较为常见，若对光学或机械性能无严苛要求，则可选用此类产品。然而，如前所述，蓝宝石的特性会随晶体取向而变化，因此采用随机取向可能会导致最终产品的强度及其他性能出现不一致的情况。
取向指标：
C-plane (0001) = Z-cut
A-plane (11-20) = Y-cut
M-Plane (10-10) = X-cut
R-Plane (10-10)
蓝宝石的晶格结构与常见晶体取向
蓝宝石的力学性能：
单晶蓝宝石的力学性能与其密度密切相关：密度越高，力学性能越优异。成分为100% Al₂O₃的单晶蓝宝石，其理论密度为3.68 g/cm³；在此条件下，蓝宝石展现出最佳的力学性能。其抗压强度介于1.9至24 GPa之间，杨氏模量为380 GPa，约为铁（200 GPa）的两倍。然而，当温度达到1200°C时，蓝宝石的弹性系数会发生剧烈变化。
极高的硬度是蓝宝石的另一大显著特征。其莫氏硬度为9，仅次于金刚石，这意味着由蓝宝石制成的光学元件具有极佳的抗划伤和耐磨损性能。此外，蓝宝石的硬度与其纯度呈正相关。
蓝宝石的热学性质：
其主要热学性质包括导热系数、热扩散系数、比热容和热膨胀系数。蓝宝石的热学性质与其纯度密切相关。通常情况下，纯度越高，导热系数和热扩散系数也越高；然而，Al₂O₃纯度与热膨胀系数的大小之间并无明显规律。事实上，制造商对于蓝宝石热膨胀系数的数值尚未达成共识；尽管生长方法和晶体取向可能会导致一定差异，但这种差异往往难以解释。
蓝宝石的光学透射性能：
蓝宝石的光学透射范围很广，涵盖225至5500纳米（nm）的波段，跨越了从紫外（UV）到红外（IR）的光谱区域。
无论光学等级如何，对于未镀膜的蓝宝石而言，波长超过约5000纳米时的红外透射性能通常无需特别考量。相比之下，紫外波段则需格外注意，因为在140纳米至240纳米范围内，透射率极易受到晶格间隙空位及微量杂质的影响。尽管由前述维尔纳叶法（Verneuil）制备的“半锭”加工而成的小孔径蓝宝石窗口往往具有良好的透射性能，但常规蓝宝石材料在160纳米至240纳米波段的紫外性能通常较差。导致紫外性能不佳的主要因素，除了污染物外，还在于晶格间隙空位在205纳米处引起的宽带吸收。
此外还有专为满足紫外透射需求而制备的紫外级蓝宝石。此类蓝宝石需经过特定的热处理工艺，以消除晶格间隙空位（这类空位可通过加热消除）。
蓝宝石透射率曲线：
1. 未镀膜蓝宝石窗口片从紫外波段至 1100 nm 波段的透射率
2. 无镀膜蓝宝石窗口片在 2.5μm 至 8.0μm 波段的透过率
蓝宝石生长：
过去，人们开发了维尔纳伊法（Verneuil Method）来制造人造蓝宝石。该工艺采用火焰熔融法：在过程中将氧化铝（Al2O3）粉末送入氢氧焰中，熔融液滴在冷却的籽晶棒上凝固结晶。然而，由于难以精确控制火焰热量（易导致成品开裂）且火焰熔融过程中氧化铝损耗巨大（推高了生产成本），该方法在当前市场上已不再适用。此外，采用此方法会在蓝宝石晶锭中心形成天然解理面，从而难以生产大直径蓝宝石。
目前，制造光学级单晶蓝宝石最常用的方法是 SAPMAC 法和基罗普洛斯法（Kyropoulos Method，简称 KY 法）。KY 法是切克劳斯基法（Czochralski method，即直拉法）的改良版；直拉法利用提拉动作作为生长的动力，而 KY 法则依靠对温度变化的精细调节来生长蓝宝石。这两种方法的设备与操作流程颇为相似。
基罗普洛斯法（KY 法）的工艺流程如下：首先在 KY 生长炉内的坩埚中熔化特定量的氧化铝，随后将底部连接有蓝宝石籽晶的晶棒浸入熔体中。在轻微提拉晶棒以拉出蓝宝石晶体的头部后，通过对熔体进行缓慢降温，使剩余部分的蓝宝石晶体得以生长。
基罗普洛斯法能够生长直径超过 100 毫米的大块蓝宝石晶体。由于在蓝宝石生长阶段仅涉及极少量的提拉动作，因此可以更精确地调节温度梯度，从而最大限度地降低晶格位错密度和热应力。
SAPMAC 法是另一种基于 KY 法和 Czochralski 法的创新方法。与前两种方法相比，SAPMAC 法所需的提拉次数更少，温度控制更加灵敏，并根据蓝宝石的生长阶段将其分为若干阶段。
附录：蓝宝石数据表：
蓝宝石特性：
Lattice Constants
a=4.765, c=13.00
Transmission Range
0.25 to 5.5 μm
Refractive Index
No 1.75449; Ne 1.74663 at 1.06 μm (1)
Reflection Loss
14% at 1.06 μm
Absorption Coefficient
0.3 x 10-3 cm-1 at 2.4 μm (2)
Reststrahlen Peak
13.5 μm
dn/dT
13.1 x 10-6 at 0.546 μm (3)
dn/dμ = 0
1.5 μm
Density
3.98 g/cc
Melting Point
2040°C
Thermal Conduction Coefficients
27.21 W m-1 K-1 at 300K
Thermal Expansion
5.6 (para) & 5.0 (perp) x 10-6/K *
Hardness
Knoop 2000 with 2000g indenter
Specific Heat
763 J Kg-1 K-1 at 293K (4)
Dielectric Constant
11.5 (para) 9.4 (perp) at 1MHz
Youngs Modulus (E)
345 GPa
Shear Modulus (G)
148.1 GPa
Bulk Modulus (K)
240 GPa
Elastic Coefficients
C11=496 C12=164 C13=115 C33=498 C44=148
Apparent Elastic Limit
300 MPa (45,000 psi)
Poisson Ratio
0.25-0.30
Solubility
98 x 10-6 g/100g water
Molecular Weight
101.96
Class/Structure
Trigonal (hex), R3c
No = 普通光线 Ne = 非常光
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