[发明专利]一种改进提拉法生长稀土烧绿石型晶体的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于晶体材料生长技术领域，特别涉及一种改进提拉法生长高光学质量、较大尺寸的稀土烧绿石型晶体，特别是Tb₂Ti₂O₇或Tb_2-xCe_xTi₂O₇晶体的装置及方法。

背景技术

磁光材料由于自身独特的Faraday效应，在光学隔离器、激光调制器、磁光开关和光纤电流传感器等磁光器件中有着广泛的应用前景。可见光区激光技术的发展与应用已引起人们的广泛重视，在激光显示、精密测量、激光医疗等技术应用中需要与之相匹配的磁光材料。在400-1100nm波段，常用的优良磁光晶体YIG（钇铁石榴石）或者掺杂YIG的透过率和激光损伤阈值限制了其在这一波段的应用。TGG（铽镓石榴石）晶体具有较大的费尔德常数和低的吸收系数，是目前这一波段最好的磁光材料之一。作为激光光隔离器的关键器件，TGG晶体可以用提拉法生长，但在生长过程中氧化镓容易分解挥发，造成严重的组分偏离，生长获得的晶体消光比不均匀，成品率较低。

稀土钛酸盐 Tb₂Ti₂O₇具有立方烧绿石结构，空间群为                                                ，由于具有显著的自旋阻挫效应以及各种低温磁性质而受到广泛关注和研究。 Tb₂Ti₂O₇单位体积含Tb³⁺离子15.35个/nm³（大于TGG的12.77个/nm³），预示其有更强的顺磁性。

经测定，Tb₂Ti₂O₇晶体在532、633和1064nm处的费尔德常数分别为-316rad·m^-1T^-1、-225rad·m^-1T^-1和-71rad·m^-1T^-1，约为TGG晶体的1.7倍。Tb₂Ti₂O₇晶体在650-1500nm波段没有吸收，透过率达到75％左右（未镀膜）。Ce₂Ti₂O₇与Tb₂Ti₂O₇能形成固溶体，所得Tb_2-xCe_xTi₂O₇（0<x<0.4)晶体仍属烧绿石型结构。随着掺入Ce³⁺离子量的增加，其在1064nm处的费尔德常数呈现先增加后减少的趋势。Tb_1.88Ce_0.12Ti₂O₇晶体的费尔德常数最大，是TGG的2.2倍，是Tb₂Ti₂O₇的1.2倍。因此，Tb₂Ti₂O₇及Tb_2-xCe_xTi₂O₇晶体作为法拉第转子的磁光材料，在可见光-近红外波段有潜在的应用价值。

提拉法（Czochraski方法）是普遍应用的晶体生长方法之一，适用于没有破坏性相变，又具有较低的蒸汽压或离解压的一致熔融的化合物。它采用感应电流加热坩埚将化合物粉体熔化后，在熔体中引入籽晶形成一个单晶核，直接从熔体中向上引拉得到所需的晶体，其特点在于生长速度快，晶体尺寸较大。目前，稀土钛酸盐单晶生长方法有助溶剂法、激光加热基座生长法和光学浮区法，但是得到的单晶的品质还有待提高，而且其直径一般小于10mm。Tb₂Ti₂O₇是一致熔融化合物，理论上可以采用提拉法生长。文献和专利未见提拉法生长Tb₂Ti₂O₇及Tb_2-xCe_xTi₂O₇晶体的报导，因此有必要进行该晶体生长方法的进一步研究。

发明内容