Si/Ti摻雜的鋱鋁石榴石法拉第磁旋光透明陶瓷及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及法拉第磁旋光透明陶瓷，具體是一種Si/Ti摻雜的鋱鋁石榴石法拉第磁旋光透明陶瓷及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]磁旋光材料在光通信、高功率激光加工等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。鋱鋁石榴石(Tb3Al5O12,簡記為TAG)是目前人們普遍認(rèn)為在可見-近紅外波段最理想的磁旋光材料，適用波長為:400-1 10nm(不包括 470_500nm)。
[0003]TAG與目前使用最普遍的鋱鎵石榴石(Tb3Ga5O12,簡記為TGG)磁旋光材料相比其具有更高的Verdet常數(shù)、制備成本較低且在可見光-近紅外區(qū)域均有較高的透過率、無毒害等優(yōu)點(diǎn)。它不僅是一種很有潛力的磁旋光材料，還可以作為激光介質(zhì)(CN1393422A)和閃爍透明材料(CN101514100A)，引起了廣大科學(xué)研宄者的關(guān)注。
[0004]TAG為非一致熔融化合物，難以通過熔體法生長高質(zhì)量、大尺寸單晶。盡管如此，國內(nèi)、國際的研宄者們還是進(jìn)行了大量嘗試。例如，利用微型下拉法(Micro-pullingdown method)(見參考文獻(xiàn) I “Growth condit1ns and composit1n of terbiumaluminum garnet single crystals grown by the micro pulling down technique's.Ganschowj D.Klimm，B.M.Epelbaumj A.Yoshikawaj J.Doerschelj T.Fukudaj J.Cryst.Growth225, (2001)454 - 457.)、激光-紅外光混合加熱方式的浮區(qū)法(見參考文獻(xiàn) 2 “Growth of terbium aluminum garnet(Tb3Al5012；TAG)single crystals bythe hybrid laser floating zone machine，，，M.Geho，T.Seki jima，T.Fujii，J.Cryst.Growth 267，(2004) 188-193.)或是利用導(dǎo)模法(見參考文獻(xiàn)3 “導(dǎo)模法生長鋱鋁石榴石(TAG)晶體及性質(zhì)表征”，宋財(cái)根，盧俊業(yè)，付聰，莊乃鋒，陳建中，《第15屆全國晶體生長與材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集》2009年)生長出的TAG晶體具有體積小或是光學(xué)質(zhì)量差的缺點(diǎn)。隨后人們又開始嘗試了利用部分摻雜Tm3+(見參考文獻(xiàn) 4 “Micro-pulling-down growth and characterizat1n of Tb3—xTmxAl5012 fibercrystals for Faraday rotator applicat1ns，，，H.Sato, V.1.Chanij A.Yoshikawaj Y.Kagamitani，H.Machida, T.Fukudaj J.Cryst.Growth 264，(2004)253 - 259.)，Lu3+(見參考文獻(xiàn) 5 “Melt growth of (Tb，Lu) 3A15012 mixed garnet fiber crystals”，V.1.Chani，A.Yoshikawaj H.Machida, T.Fukudaj J.Cryst.Growth 212，(2000) 469-475.)，Ga3+(見參考文獻(xiàn) 6 uGrowth and characterizat1n of Tb3Ga5_xAlx012 single crystal ^ , W.Zhang, F.Guoj J.Chen, J.Cryst.Growth306, (2007) 195 - 199.及專利 CN 102485975A)，Sc3+(見參考文獻(xiàn) 7 uCzochralski growth of Y3Al3Sc2O12 single crystal for Faradayisolator，，，A.Yoshikawaj Y.Kagamitani, D.A.Pawlakj H.Sato, H.Machida，T.Fukudaj Mater.Res.Bull., 37, (2002) 1-10.)，和 Yb3+(見參考文獻(xiàn) 8 u (TbjYb)3Al5O12garnet:crystal-chemistry and fiber growth by micro-pulling-down technique”，V.1.Chani, A.Yoshikawa, H.Machida, T.Fukuda, “ (Tb, Yb) 3A15012 garnet: crystal-chemistryand fiber growth by micro-pulling-down technique，，，Mater.Sc1.Eng.，B75，(2000) 53-60.)等元素部分取代Tb3+或Al3+來獲得一致熔融化合物的穩(wěn)定TAG物相，生長 Tb3_xAxAl5_yBy012 (A = Tm3+、Yb3+等，B = Ga 3+、Sc3+等)單晶。日本國立材料研宄所(NMS)島村(Shimamura)教授通過Sc3+，Lu3+共摻，采用提拉法生長出了直徑約為15 mm的{Tb 3}[Sc2_xLux] (Al3) O12單晶，該晶體的生長特性得到改善，并且呈現(xiàn)出很好的磁光性能。(見參考文獻(xiàn) 9 “Growth of {Tb3} [Sc2_xLuJ (Al3)O12 Single Crystals for Visible-1nfraredOptical Isolators” , K.Shimamura, T.Kito, E.Castel, A.Latynina, P.Molina, E.G.Vlllora, P.Mythili, P.Veber, J.Chaminade, A.Funaki, T.Hatanaka, and K.Naoe, Cryst.Growth Des.，10(8)，(2010)3467.)但該技術(shù)路線也存在一定問題:通過摻雜其它離子部分取代TAG晶格中的Tb3+或Al3+后，一方面材料的Verdet常數(shù)在一定程度上會(huì)減小，另外，摻雜離子在TAG晶格中引入的缺陷也會(huì)對(duì)聲子造成散射從而使材料的熱導(dǎo)率下降，限制其在高功率激光系統(tǒng)中的應(yīng)用。
[0005]除生長單晶技術(shù)之外，透明陶瓷可以有效避免TAG單晶制備過程中出現(xiàn)的不一致熔融問題，而且還可以保持TAG單晶優(yōu)良的磁旋光性能。2011年，上海光機(jī)所的科研人員(見參考文獻(xiàn) 10 “Synthesis of Tb3Al5O12 (TAG) transparent ceramics forpotential magneto optical applicat1ns, ^H.Lin, S.M.Zhou, and H.Teng, Opt.Mater.33(11)，1833 - 1836(2011).)首次對(duì)TAG透明陶瓷進(jìn)行了報(bào)道，其樣品的維爾德常數(shù)為-172.72rBdr1IH^1,熱導(dǎo)率為6.與報(bào)道的TAG單晶相近。2012年，通過摻雜Ce3+部分取代Tb 3+位，獲得了磁光性能更優(yōu)的樣品，樣品的維爾德常數(shù)為-199.55radT l1，比 TAG 單晶的大 16% (見參考文獻(xiàn) 11 “Fabricat1n and performance optimizat1nof the magneto-optical (TUx) 3A15012 (R = Y, Ce) transparent ceramics, ^C.Chen, S.Zhou, H.Lin, Q.Yi, Appl.Phys.Lett.101 (13)，131908 (2012).)。對(duì)TAG和 Ce 離子摻雜的 TAG透明陶瓷樣品的熱學(xué)性能表征顯示其在300W功率下的隔離度分別為38dB和39dB。(見參考文獻(xiàn) 12〃High-power Faraday isolators based on TAG Ceramics, 〃D.Zheleznov, A.Starobor, 0.Palashov, C.Chen, S.M.Zhou, Opt.Express.22 (3), 2578-2583 (2014).和參考文獻(xiàn) 13 “Improving characteristics of Faraday isolators based on TAG ceramicsby cerium doping，，，Dmitry Zheleznov, Aleksey Starobor, Oleg Palashov, Hui Lin, andShengming Zhou, Opt.Lett.39(7)，2183-2186(2014).)
[0006]研宄證實(shí)了 TAG透明陶瓷作為高功率激光隔離器材料的可行性，目前限制其實(shí)際應(yīng)用的因素為其透過率與單晶樣品之間的差距。提高TAG透明陶瓷的光學(xué)性能，同時(shí)又不降低其優(yōu)越的磁旋光性能成為亟待解決的問題。近期通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Ti/Si離子部分取代Al3+位可以制備出較高光學(xué)質(zhì)量的Tb 3Al5_xSiyTiz012(其中，y+z = x，x、y和z的取值范圍為0.01彡X彡0.06，0彡y彡0.06，0彡z彡0.06)透明磁旋光陶瓷材料。
[0007]專利CN1393422A中闡述了 TAG透明陶瓷作為激光介質(zhì)的制備方法，專利CN101514100A則對(duì)Tb或Ti作為發(fā)光離子的閃爍透明陶瓷材料做了一定的研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)中大尺寸單晶TAG材料無法獲的不足或困難，提供一種法拉第磁旋光透明陶瓷及其制備方法，利用固相反應(yīng)法在TAG熔點(diǎn)以下制備TAG多晶，同時(shí)利用Ti/Si摻雜，在保持TAG高Verdet常數(shù)的前提下大幅度地提高了 TAG基法拉第磁旋光透明陶瓷的光學(xué)質(zhì)量，從而有望推動(dòng)TAG基透明材料實(shí)用化。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0010]一種Si/Ti摻雜的鋱鋁石榴石法拉第磁旋光透明陶瓷，特點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)式為:Tb3Al5_xSiyTiz012，其中，y+z = X，x、y 和 z 的取值范圍為 0.01 彡 x 彡 0.06，O 彡 y 彡 0.06，O z 0.06。
[0011]上述Si/Ti摻雜的鋱鋁石榴石法拉第磁旋光透明陶瓷的制備方法，包括如下步驟:
[0012]①初始原料采用原料純度不低于99.9%的七氧化四鋱或三氧化二鋱中任一種、氧化硅、正硅酸乙酯或氧化鈦中任一種或兩