[发明专利]Si/Ti掺杂的铽铝石榴石法拉第磁旋光透明陶瓷及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及法拉第磁旋光透明陶瓷，具体是一种Si/Ti掺杂的铽铝石榴石法拉第磁旋光透明陶瓷及其制备方法。

背景技术

磁旋光材料在光通信、高功率激光加工等领域具有非常重要的应用。铽铝石榴石(Tb₃Al₅O₁₂,简记为TAG)是目前人们普遍认为在可见-近红外波段最理想的磁旋光材料，适用波长为：400-1100nm(不包括470-500nm)。

TAG与目前使用最普遍的铽镓石榴石(Tb₃Ga₅O₁₂,简记为TGG)磁旋光材料相比其具有更高的Verdet常数、制备成本较低且在可见光-近红外区域均有较高的透过率、无毒害等优点。它不仅是一种很有潜力的磁旋光材料，还可以作为激光介质(CN1393422A)和闪烁透明材料(CN101514100A)，引起了广大科学研究者的关注。

TAG为非一致熔融化合物，难以通过熔体法生长高质量、大尺寸单晶。尽管如此，国内、国际的研究者们还是进行了大量尝试。例如，利用微型下拉法(Micro-pulling down method)(见参考文献1“Growth conditions and composition of terbium aluminum garnet single crystals grown by the micro pulling down technique”,S.Ganschow,D.Klimm,B.M.Epelbaum,A.Yoshikawa,J.Doerschel,T.Fukuda,J.Cryst.Growth225,(2001)454–457.)、激光-红外光混合加热方式的浮区法(见参考文献2“Growth of terbium aluminum garnet(Tb₃Al₅O₁₂；TAG)single crystals by the hybrid laser floating zone machine”,M.Geho,T.Sekijima,T.Fujii,J.Cryst.Growth 267,(2004)188-193.)或是利用导模法(见参考文献3“导模法生长铽铝石榴石(TAG)晶体及性质表征”,宋财根，卢俊业，付聪，庄乃锋，陈建中,《第15届全国晶体生长与材料学术会议论文集》2009年)生长出的TAG晶体具有体积小或是光学质量差的缺点。随后人们又开始尝试了利用部分掺杂Tm³⁺(见参考文献4“Micro-pulling-down growth and characterization of Tb_3-xTm_xAl₅O₁₂ fiber crystals for Faraday rotator applications”,H.Sato,V.I.Chani,A.Yoshikawa,Y.Kagamitani,H.Machida,T.Fukuda,J.Cryst.Growth 264,(2004)253–259.),Lu³⁺(见参考文献5“Melt growth of(Tb,Lu)₃Al₅O₁₂ mixed garnet fiber crystals”,V.I.Chani,A.Yoshikawa,H.Machida,T.Fukuda,J.Cryst.Growth 212,(2000)469-475.),Ga³⁺(见参考文献6“Growth and characterization of Tb₃Ga_5-xAl_xO₁₂ single crystal”,W.Zhang,F.Guo,J.Chen,J.Cryst.Growth306,(2007)195–199.及专利CN 102485975A),Sc³⁺(见参考文献7“Czochralski growth of Y₃Al₃Sc₂O₁₂ single crystal for Faraday isolator”,A.Yoshikawa,Y.Kagamitani,D.A.Pawlak,H.Sato,H.Machida,T.Fukuda,Mater.Res.Bull.,37,(2002)1-10.),和Yb³⁺(见参考文献8“(Tb,Yb)₃Al₅O₁₂ garnet:crystal-chemistry and fiber growth by micro-pulling-down technique”,V.I.Chani,A.Yoshikawa,H.Machida,T.Fukuda,“(Tb,Yb)₃Al₅O₁₂ garnet:crystal-chemistry and fiber growth by micro-pulling-down technique”,Mater.Sci.Eng.,B 75,(2000)53-60.)等元素部分取代Tb³⁺或Al³⁺来获得一致熔融化合物的稳定TAG物相，生长Tb_3-xA_xAl_5-yB_yO₁₂(A＝Tm³⁺、Yb³⁺等，B＝Ga³⁺、Sc³⁺等)单晶。日本国立材料研究所(NIMS)岛村(Shimamura)教授通过Sc³⁺，Lu³⁺共掺，采用提拉法生长出了直径约为15 mm的{Tb₃}[Sc_2-xLu_x](Al₃)O₁₂单晶，该晶体的生长特性得到改善，并且呈现出很好的磁光性能。(见参考文献9“Growth of{Tb₃}[Sc_2-xLu_x](Al₃)O₁₂ Single Crystals for Visible-Infrared Optical Isolators”,K.Shimamura,T.Kito,E.Castel,A.Latynina,P.Molina,E.G.Víllora,P.Mythili,P.Veber,J.Chaminade,A.Funaki,T.Hatanaka,and K.Naoe,Cryst.Growth Des.,10(8),(2010)3467.)但该技术路线也存在一定问题：通过掺杂其它离子部分取代TAG晶格中的Tb³⁺或Al³⁺后，一方面材料的Verdet常数在一定程度上会减小，另外，掺杂离子在TAG晶格中引入的缺陷也会对声子造成散射从而使材料的热导率下降，限制其在高功率激光系统中的应用。