上海硅酸盐所在磁光透明陶瓷研究中取得系列进展

发布时间:2021-07-27

  磁光材料作为磁光器件的关键组成部分,基于其非互易性在激光、光通讯、光纤传感等领域发挥着不可替代的作用,被广泛应用于高技术、医疗、工业等领域。随着磁光器件不断朝着高功率、小型化、低成本等方向发展,对磁光材料的要求也越来越高。与此同时,随着透明陶瓷技术的发展,其在力学、光学、热学等方面的优势得到广泛关注,也为磁光材料的发展提供了新的途径。 

  近期,中国科学院上海硅酸盐研究所李江研究员团队面向新型法拉第光隔离器的应用需求,设计提出并采用两步烧结法成功制备了一系列具有高Verdet常数、高光学质量的石榴石基、烧绿石型和倍半氧化物磁光透明陶瓷,取得了系列进展。 

  该研究团队以共沉淀法合成高烧结活性的纳米粉体为原料,利用空气烧结结合热等静压烧结(HIP)后处理技术制备了稀土离子掺杂铽镓石榴石(RE:TGG)磁光透明陶瓷。该陶瓷在1070nm处的直线透过率均大于80%RE:TGG陶瓷在633nm处的Verdet常数约为-143rad·T-1·m-1(比TGG陶瓷/高约5%)。同时对TGG磁光陶瓷进行服役性能评估,发现退火后的TGG陶瓷具有最优的热光性能,当辐照功率为180W时,计算得到该TGG陶瓷的消光比为42dB。经理论计算,退火后的TGG陶瓷可承受~0.8kW的激光辐照。掺杂稀土离子后,由于热导率下降以及吸收增强作用,RE:TGG磁光陶瓷的热致退偏效应得到增强。其中Ce:TGGTm:TGG磁光陶瓷的性能较为优异,理论测算仍可承受~0.65kW的激光辐照。相关研究成果发表于J. Adv. Ceram. (2021, 10: 271-278)。 

  作为法拉第隔离器的关键材料,磁光材料不仅需要具有优异的光学质量,还要求其具备良好的磁光性能。作为主要磁光性能参数的Verdet常数越高,则所需的磁光材料尺寸越小,有利于实现器件小型化。同时也可减少激光服役时产生的热效应,从而保证磁光器件的稳定隔离比。与TGG材料相比,铽铝石榴石(TAG)具有更高的Verdet常数、制备成本更低廉,热导率也更为优异。因此,被认为是应用于千瓦级高功率激光器的理想磁光材料。研究团队通过反滴共沉淀法合成TAG纳米粉体,结合真空预烧及热等静压烧结成功制备了在1064 nm波长处直线透过率为81.6%TAG磁光陶瓷。烧结助剂正硅酸乙酯(TEOS)的添加不仅可以提高TAG磁光陶瓷的光学质量,同时还可以解决铽离子在空气退火中的变价问题,保证了TAG陶瓷具有优异的磁光品质因子。相关研究成果发表于J. Am. Ceram. Soc. (2021, 104: 2116-2124)。上述两篇论文第一作者均为上海硅酸盐所博士研究生李晓英,通讯作者为李江研究员。

  烧绿石型磁光透明陶瓷是一类新型的磁光材料,相比石榴石结构的磁光材料,烧绿石结构中顺磁性离子可占据50%以上的阳离子格位,因而可具有更高的顺磁离子浓度和更高的Verdet常数,具有很好的研究价值与应用潜力。铪酸铽(Tb2Hf2O7)是一种典型的烧绿石型磁光陶瓷,其具有宽固溶范围的特点。近期该团队采用固相反应烧结法制备了非化学计量的Tb2.45Hf2O7.68磁光陶瓷,该陶瓷在1064nm处的直线透过率达到79.4%,且在633nm处的Verdet常数达到-165.6rad·T-1·m-1,比商用TGG单晶高23.6%。相关研究成果发表在Scr. Mater.(2021, 204: 114158)。在此基础上,该团队在最新的研究中发现陶瓷中的Tb3+含量可以进一步提高,研制的非化学计量Tb2(Hf1-xTbx)2O7-x陶瓷在633nm处的Verdet常数高达-181.2rad·T-1·m-1,已达到商用TGG单晶的1.35倍。 

  同为烧绿石结构的Tb2Ti2O7也具有高的铽离子浓度和高的Verdet常数。钛酸铽(Tb2Ti2O7)单晶的制备很困难,极易出现开裂,光学质量也难以满足光隔离器的应用要求。因此,使用先进的陶瓷制备技术有望制备出高光学质量、高Verdet常数的Tb2Ti2O7磁光陶瓷。该研究团队以共沉淀法合成的高纯Tb2Ti2O7纳米粉体为原料,使用真空烧结与HIP后处理技术制备得到了性能优异的Tb2Ti2O7磁光陶瓷。该陶瓷在1064nm处的直线透过率达到65.5%(达到理论值的90%),且在633nm处的Verdet常数为-229rad·T-1·m-1,达到商用TGG单晶的1.7倍,具有较大的应用潜力。相关研究成果发表在J. Eur. Ceram. Soc.(2021, doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.07.024.)。以上两篇论文第一作者为上海硅酸盐所硕士研究生章立轩,通讯作者为李江研究员。 

  除了可见及近红外波段用磁光陶瓷,中远红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具有高的光学透过率和高的Verdet常数,是工作在基于Er掺杂通信激光器的理想法拉第光隔离器材料。该研究团队采用真空预烧结合热等静压烧结(HIP)后处理工艺,制备出了在1550nm处直线透过率达80.7%Ho2O3透明陶瓷。该Ho2O3磁光陶瓷在1561nm处的Verdet常数为-15.4rad·T-1·m-1(商用TGG单晶的1.7倍),有望应用于1.5μm波段通信激光器中的法拉第光隔离器件。相关研究成果发表于J. Eur. Ceram. Soc.(2021, 41: 759-767),论文第一作者为上海硅酸盐所博士研究生胡殿君,通讯作者为李江研究员。 

  以上系列研究工作得到国家自然科学基金项目、中国科学院前沿科学重点研究计划项目(院青年拔尖人才项目)、中国科学院上海硅酸盐研究所重点学科建设项目、人工晶体研究中心主任基金等资助。 

  相关链接: 

  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)稀土离子掺杂铽镓石榴石(TGG磁光陶瓷的透过率曲线;(b)不同激光辐照功率下磁光陶瓷的热致退偏实验值(圆点)和理论值(直线)

 

(a)铽铝石榴石(TAG)磁光陶瓷的实物照片;(b)直线透过率曲线

 

(a)铪酸铽(Tb2.45Hf2O7.68)磁光陶瓷的直线透过率曲线;(bTb2.45Hf2O7.68磁光陶瓷的Verdet常数

a)钛酸铽(Tb2Ti2O7)磁光陶瓷的直线透过率曲线;(b)热腐蚀表面FESEM形貌

a)氧化钬(Ho2O3)磁光陶瓷的直线透过率曲线;(bVerdet常数随波长的变化规律