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上海硅酸鹽所在磁光透明陶瓷研究中取得系列進展
發布時間: 2021-07-27 12:07 | 【 【打印】【關閉】

  磁光材料作為磁光器件的關鍵組成部分,基于其非互易性在激光、光通訊、光纖傳感等領域發揮著不可替代的作用,被廣泛應用于高技術、醫療、工業等領域。隨著磁光器件不斷朝著高功率、小型化、低成本等方向發展,對磁光材料的要求也越來越高。與此同時,隨著透明陶瓷技術的發展,其在力學、光學、熱學等方面的優勢得到廣泛關注,也為磁光材料的發展提供了新的途徑。 

  近期,中國科學院上海硅酸鹽研究所李江研究員團隊面向新型法拉第光隔離器的應用需求,設計提出并采用兩步燒結法成功制備了一系列具有高Verdet常數、高光學質量的石榴石基、燒綠石型和倍半氧化物磁光透明陶瓷,取得了系列進展。 

  該研究團隊以共沉淀法合成高燒結活性的納米粉體為原料,利用空氣燒結結合熱等靜壓燒結(HIP)后處理技術制備了稀土離子摻雜鋱鎵石榴石(RE:TGG)磁光透明陶瓷。該陶瓷在1070nm處的直線透過率均大于80%。RE:TGG陶瓷在633nm處的Verdet常數約為-143rad·T-1·m-1(比TGG陶瓷/高約5%)。同時對TGG磁光陶瓷進行服役性能評估,發現退火后的TGG陶瓷具有最優的熱光性能,當輻照功率為180W時,計算得到該TGG陶瓷的消光比為42dB。經理論計算,退火后的TGG陶瓷可承受~0.8kW的激光輻照。摻雜稀土離子后,由于熱導率下降以及吸收增強作用,RE:TGG磁光陶瓷的熱致退偏效應得到增強。其中Ce:TGGTm:TGG磁光陶瓷的性能較為優異,理論測算仍可承受~0.65kW的激光輻照。相關研究成果發表于J. Adv. Ceram. (2021, 10: 271-278)。 

  作為法拉第隔離器的關鍵材料,磁光材料不僅需要具有優異的光學質量,還要求其具備良好的磁光性能。作為主要磁光性能參數的Verdet常數越高,則所需的磁光材料尺寸越小,有利于實現器件小型化。同時也可減少激光服役時產生的熱效應,從而保證磁光器件的穩定隔離比。與TGG材料相比,鋱鋁石榴石(TAG)具有更高的Verdet常數、制備成本更低廉,熱導率也更為優異。因此,被認為是應用于千瓦級高功率激光器的理想磁光材料。研究團隊通過反滴共沉淀法合成TAG納米粉體,結合真空預燒及熱等靜壓燒結成功制備了在1064 nm波長處直線透過率為81.6%TAG磁光陶瓷。燒結助劑正硅酸乙酯(TEOS)的添加不僅可以提高TAG磁光陶瓷的光學質量,同時還可以解決鋱離子在空氣退火中的變價問題,保證了TAG陶瓷具有優異的磁光品質因子。相關研究成果發表于J. Am. Ceram. Soc. (2021, 104: 2116-2124)。上述兩篇論文第一作者均為上海硅酸鹽所博士研究生李曉英,通訊作者為李江研究員。

  燒綠石型磁光透明陶瓷是一類新型的磁光材料,相比石榴石結構的磁光材料,燒綠石結構中順磁性離子可占據50%以上的陽離子格位,因而可具有更高的順磁離子濃度和更高的Verdet常數,具有很好的研究價值與應用潛力。鉿酸鋱(Tb2Hf2O7)是一種典型的燒綠石型磁光陶瓷,其具有寬固溶范圍的特點。近期該團隊采用固相反應燒結法制備了非化學計量的Tb2.45Hf2O7.68磁光陶瓷,該陶瓷在1064nm處的直線透過率達到79.4%,且在633nm處的Verdet常數達到-165.6rad·T-1·m-1,比商用TGG單晶高23.6%。相關研究成果發表在Scr. Mater.(2021, 204: 114158)。在此基礎上,該團隊在最新的研究中發現陶瓷中的Tb3+含量可以進一步提高,研制的非化學計量Tb2(Hf1-xTbx)2O7-x陶瓷在633nm處的Verdet常數高達-181.2rad·T-1·m-1,已達到商用TGG單晶的1.35倍。 

  同為燒綠石結構的Tb2Ti2O7也具有高的鋱離子濃度和高的Verdet常數。鈦酸鋱(Tb2Ti2O7)單晶的制備很困難,極易出現開裂,光學質量也難以滿足光隔離器的應用要求。因此,使用先進的陶瓷制備技術有望制備出高光學質量、高Verdet常數的Tb2Ti2O7磁光陶瓷。該研究團隊以共沉淀法合成的高純Tb2Ti2O7納米粉體為原料,使用真空燒結與HIP后處理技術制備得到了性能優異的Tb2Ti2O7磁光陶瓷。該陶瓷在1064nm處的直線透過率達到65.5%(達到理論值的90%),且在633nm處的Verdet常數為-229rad·T-1·m-1,達到商用TGG單晶的1.7倍,具有較大的應用潛力。相關研究成果發表在J. Eur. Ceram. Soc.(2021, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.07.024.)。以上兩篇論文第一作者為上海硅酸鹽所碩士研究生章立軒,通訊作者為李江研究員。 

  除了可見及近紅外波段用磁光陶瓷,中遠紅外波段用磁光陶瓷的研究工作也非常重要。倍半氧化物Ho2O31.3μm1.5μm具有高的光學透過率和高的Verdet常數,是工作在基于Er摻雜通信激光器的理想法拉第光隔離器材料。該研究團隊采用真空預燒結合熱等靜壓燒結(HIP)后處理工藝,制備出了在1550nm處直線透過率達80.7%Ho2O3透明陶瓷。該Ho2O3磁光陶瓷在1561nm處的Verdet常數為-15.4rad·T-1·m-1(商用TGG單晶的1.7倍),有望應用于1.5μm波段通信激光器中的法拉第光隔離器件。相關研究成果發表于J. Eur. Ceram. Soc.(2021, 41: 759-767),論文第一作者為上海硅酸鹽所博士研究生胡殿君,通訊作者為李江研究員。 

  以上系列研究工作得到國家自然科學基金項目、中國科學院前沿科學重點研究計劃項目(院青年拔尖人才項目)、中國科學院上海硅酸鹽研究所重點學科建設項目、人工晶體研究中心主任基金等資助。 

  相關鏈接: 

  1https://doi.org/10.1007/s40145-020-0437-y 

  2https://doi.org/10.1111/jace.17628 

  3https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2021.114158 

  4https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.07.024 

  5https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.08.008 

(a)稀土離子摻雜鋱鎵石榴石(TGG磁光陶瓷的透過率曲線;(b)不同激光輻照功率下磁光陶瓷的熱致退偏實驗值(圓點)和理論值(直線)

 

(a)鋱鋁石榴石(TAG)磁光陶瓷的實物照片;(b)直線透過率曲線

 

(a)鉿酸鋱(Tb2.45Hf2O7.68)磁光陶瓷的直線透過率曲線;(bTb2.45Hf2O7.68磁光陶瓷的Verdet常數

a)鈦酸鋱(Tb2Ti2O7)磁光陶瓷的直線透過率曲線;(b)熱腐蝕表面FESEM形貌

a)氧化鈥(Ho2O3)磁光陶瓷的直線透過率曲線;(bVerdet常數隨波長的變化規律

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