透明陶瓷：实现大型、耐用、多功能光学器件

       氮氧化铝和铝酸镁尖晶石机械强度高、坚硬、耐刮擦;它们在化学上也很耐用。两者都表现出从近紫外到中红外的宽带透射率。

       单晶蓝宝石一直是国防和其他需要极其耐用光学器件的应用的首选材料，但氮氧化铝 （ALON） 和铝酸镁（尖晶石）已经出现，用于需要大尺寸或复杂 几何形状的光学器件的应用。

       表1列出了每种材料的关键物理特性。两者都具有立方尖晶石晶体结构，使其多晶形式透明，这意味着它们可以使用传统的陶瓷粉末加工技术生产。粉末加工允许它们以大尺寸、复杂的几何形状和大批量生产，否则将非常困难或不可能。

       虽然它们的晶体结构相似，但它们的一些机械和光学性能是不同的。ALON的高硬度，模量和强度特别适用于透明装甲;尖晶石在中红外波长区域的扩展 透射率（图 1）使其适用于许多红外光学用途。

图1.2毫米厚度的ALON、尖晶石和单晶蓝宝石的透射光谱（不含抗反射涂层）。

它们是如何制造的

       ALON 和尖晶石的制造工艺与任何其他陶瓷材料的制造工艺相似。然而，由于这些材料需要透明，纯度和过程控制更具挑战性。与尖晶石相比，ALON 工艺更加稳健，产量更高，生产出质量更好的零件。


       与单晶蓝宝石不同，多功能陶瓷绿色成型技术允许ALON和尖晶石部件在热处理之前形成近净形状，从而节省能源并显着降低加工成本。两种材料的加工步骤（图2）涉及：

（1）粉末合成。
（2）绿体形成（整形）。
（3）热处理。
（4）光学制造。

图2.制造ALON和尖晶石透明陶瓷的典型工艺步骤。

        坯体可以通过多种成型方法之一创建，包括冷等静压、模压、注塑和滑动铸造。绿体具有白垩的稠度，只有部分致密。然后对它们进行一系列热处理步骤，使其达到完全的光学透明度。市售的ALON部件采用烧结/热等静压（HIP）工艺制成。它们几乎不含夹杂物，通常以其高光学透明度、低雾度、无色调而闻名，最重要的是，对于侦察和传感器窗口等许多关键应用而言，它们在大面积上具有良好的折射率均匀性。尖晶石也可以使用相同的基本热处理方法生产。

       尖晶石部件的另一种生产方法采用单轴热压，然后采用热等静压 （HP/HIP） 方法。在此过程中，通常需要液相烧结助剂，例如LiF。不幸的是，许多研究表明，基于LiF的方法会导致严重的晶界弱点问题，导致强度低，并且在达到高水平的折射率均匀性方面也存在问题。.

复杂的几何形状，多功能的特点

       许多应用都需要具有复杂 3D 几何形状的光学陶瓷组件，包括红外军用光学器件。半球形和超半球形圆顶、切线卵形圆顶、复杂的透镜和曲面窗口是粉末基 ALON 和尖晶石光学陶瓷可能实现的一些复杂几何形状（图 3）。使用此类组件的应用包括三模（激光、红外和射频）导引头系统、红外对抗系统和飞机瞄准吊舱系统。

图3.具有复杂几何形状的 ALON 和尖晶石组件示例。.

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       用单晶蓝宝石制造具有如此复杂几何形状的部件是不经济的，因为生长滚球和随后从滚球加工这些形状涉及成本。与蓝宝石一样，ALON 和尖晶石陶瓷仍然需要研磨和抛光，但它们在生坯阶段的近净形状成形性消除了巨大的加工/光学制造成本。

       ALON光学陶瓷元件中的嵌入式内部架构提供了附加功能的潜力。多功能组件的一些示例是（图 4）：

• 带有嵌入式网格或网格的圆顶或窗口，用于 EMI（电磁干扰）屏蔽。
• 带有嵌入式天线的圆顶或窗户。
• 带有内置凹槽和传感器内部电气连接的圆顶或窗户。

       此外，可以定制合规和集成的内部结构，以提高机械性能，例如部件的韧性、结构完整性或防弹性能。

基于ALON的GRIN光学器件 尽管聚合物和基于玻璃的梯度指数（GRIN）光学器件

       已经 在相当长的一段时间内，基于ALON的GRIN光学器件相对较新 目前正在DARPA资助的研究计划中开发 苏尔梅特。基于GRIN的镜片具有不同的折射率曲线 逐渐以受控方式在材料内。与 常规镜片，取决于加工成其曲率 表面弯曲光线，GRIN光学器件也可以使用受控的梯度 在材料本身内弯曲光线。这可以与或 没有表面曲率来产生透镜。

图4.具有嵌入式内部架构的 ALON 组件示例。

       这种额外的控制可以导致光学系统的大幅小型化和重量减轻，以及减少由球面透镜引起的光学像差。

       当折射率随透镜的厚度变化时，称为轴向梯度。这种镜头的典型应用包括摄影物镜，因为与非球面镜头相比，它们的色差非常低。折射率曲线也可以径向变化（图5），这种类型的镜头既能提供像差校正，又能改变镜头的焦距。基于ALON的GRIN光学器件可以制造具有明显较大的折射率梯度（？n），轴向和径向轮廓范围高达0.04。这在ALON中可以通过改变成分和/或添加合适的掺杂剂来实现。

图5.GRIN 配置文件的图形插图（插图中显示了 ALON GRIN 示例）。

       与许多仅在可见光波长下透明的玻璃和聚合物不同，ALON GRIN镜片在可见光到中红外范围内是透明的。此外，与玻璃和聚合物相比，它们在耐刮擦性、强度和耐高温性方面具有出色的耐用性。这为ALON GRIN镜头开辟了许多其他潜在应用，例如激光测距仪，夜视镜和无人机的图像系统。