CN100362146C - 铽型顺磁性石榴石单晶体和光磁装置 - Google Patents

铽型顺磁性石榴石单晶体和光磁装置 Download PDF

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Abstract

铽型顺磁性石榴石单晶体，具有诸如高法拉第效应和高光传输系数的性能，即使在可见光区内，它也具有高的费尔德常数。光磁装置包括这种铽型顺磁性石榴石单晶体。铽型顺磁性石榴石单晶体至少包含铽，包含铝和镓中的至少一种元素，由铈和镨中的至少一种元素替代部分铽。

Description

铽型顺磁性石榴石单晶体和光磁装置
技术领域
本发明涉及铽型顺磁性石榴石单晶体，此晶体为石榴石结构，至少含有：铽；铝和镓中的至少一种元素；适用于光学通讯与光记录中的光绝缘器和光环行器，并适用于检测大电流的光磁传感器。
背景技术
在目前电能领域内，含有光磁材料的光磁传感器受到很大的关注，它适用于检测功率传输线上可能由雷击等意外事件引起的非正常电流。这种传感器能利用光磁效应中的一种法拉第效应检测在功率传输线周围产生的磁场，这种检测是利用法位第旋转角随磁场强度而变化的这一事实来实现的。众所周知，当具有法拉第效应的光磁元件受到激光束照射时，在与激光束传播方向相同的方向上产生一个磁场。使入射激光束的偏振面旋转，此旋转与磁场强度成正比。利用上述的偏振面的旋转，将具有不同偏振面的偏振板排列在光磁元件的光传播方向的前面和后面。从而，偏振面的旋转角之间的差异导致所出现光量间的差异。由光传感装置，例如光测器或类似装置检测光量间的差异。这样就能检测到非正常电流的强度。使用如上述法位第效应的光磁传感器具有高的灵敏度；而且可以减小它尺寸和重量；此外，抗爆性能高，且传感器能遥控。同样，因为是用光纤传输光的，这样电磁感应噪声水平与绝缘性能优越。这样，光磁传感器有如此优越的特性，这是电气型磁场传感器不能获得的。
关于构成光磁元件的顺磁性材料的特性，需要有高的费尔德(Verdet)常数(V：(度/奥·厘米))，费尔德常数是指在单位长度及每单元所加磁场下的法拉第旋转角，费尔德常数具有一种由θt＝VHd表示的关系，其中θt表示法拉第旋转角，是指偏振光束的角度，d表示光束通过光磁元件的运行距离，而H表示作用于光磁元件的磁场强度。因此，法拉第旋转角的变化率是随费尔德常数的变大而增加。这样，当磁场微小变化时，光量的差异马上增大。因而，光磁传感器能提供高的灵敏度。
作为具有上述特性的磁性材料，一种具有钇铁石榴石结构的单晶体(Y3Fe5O12：在下文中缩写成YIG)是一种铁磁材料，如在日本已受理(examined)专利申请公开号2-3173中所叙述的。YIG单晶体的优越性在于，其费尔德常数高，以及对磁变化的灵敏度高。然而，在日本实用专利申请公开号2-3173中所叙述的YIG单晶体有下列问题：法拉第旋转角增加到磁场强度达到预先确定的值为止，在磁场强度达到引预定值后，则变成常数，即，法拉第旋转角变成磁饱和。所以当YIG单晶体用作检测大电流的光磁传感器的光磁元件时，问题发生在传感器不能正确地检测电流，而且，YIG单晶体仅能传输1000纳米至5000纳米的红外区内的光束。所以问题是YIG单晶体不能用于400纳米到600纳米的可见区及650纳米的波长。650纳米的波长是在塑料光纤的波长区内，已经调查这种塑料光纤用于装在汽车上的LAN或类似部件内。用于红外区的光源贵，另一方向，在可见光区内的光源便宜。所以希望实现能用于可见光区的顺磁性材料。
作为能解决上述问题的一种磁性材料，例如，在S.Granschou，D.Klimm，P.Reiche和R.Uecker编著的文献“晶体研究技术”34(1999)，615-619页的文章中叙述的至少包含有铽和铝的铽·铝型顺磁性石榴石单晶体(Tb3Al5O12，在下文中简称为TAG单晶体)，TAG单晶体的费尔德常数与其它顺磁性材料相比是很大的。这样，即使减少该单晶体的尺寸，还能获得足够的法拉第旋转角，因此可以减少这种光磁元件的尺寸。而且与YIG单晶体相比，即使施加强磁场也不会发生磁饱和。因此，TAG单晶体能用作光磁装置中的光磁元件，以检测大电流。因此，TAG单晶体能检测宽范围内的磁场强度。TAG单晶体在500纳米到1400纳米的波长段内有很高的光传输系数。另外，还发现TAG单晶体能在400纳米至700纳米的可见光波长段内具有高的光传输系数，建议在光磁装置中肯定可使用具有上述优越特性的GAG单晶体。
虽然TAG单晶体具有上述优越特性，但还没有获得能实际用于光磁装置中的如此大尺寸的TAG单晶体。其理由叙述如下，因为TAG单晶体是一种分解熔化型复合物。这样，在材料熔解时所得到的初始原材料的成份不同于熔化的原材料邻却后得到晶体成份。更精确地说，由石榴石相构成的分解熔化型TAG单晶体不能直接从熔化的初始原材料的成分中获得。这样，问题是发生在由钙钛矿相构成的化合物TbAlO3是与TAG单晶体相混合。该TAG单晶体具有顺磁性电介质的最大费尔德常数。然而，当它受到波长为633纳米的光束照射时，TAG单晶体的费尔德常数约为0.01°/(Oe·cm)。所以，为了TAG晶体能应用于光磁装置，TAG单晶体需要具有更大的费尔德常数。
作为另一种铽型顺磁性石榴石单晶体，例如铽·镓·石榴石(Tb3Ga3O12，在下文中简称为TGG单晶体)或已知的类似物质。然而，与TAG单晶体一样，其费尔德常数必须提高，这种TGG单晶体是一种同时熔化型材料(councidentlymelting type materials)。即TGG单晶体初始原材料的成份与晶体生长后所获得的成份相同。这样，具有实用尺寸的TGG单晶体便于由已知的提拉法(Czochralsk)生产，然而，这样获得的TGG单晶体存在的问题是：在635纳米波长时的费尔德常数小，即0.0075°/(Oe·cm)。分解熔化型TAG单晶体渴望获得具有大的费尔德常数并能有效地减少其尺寸的光磁材料，和同时熔化型铽型顺磁石榴石材料。
本发明的一个目的是要解决上述问题，提供一种铽型顺磁性石榴石单晶体。这种晶体的法拉第效应大，光传输系数高，费尔德常数较高，并提供一种使用铽型顺磁性单晶体的光磁装置。
发明内容
为了达到上述目的，根据本申请的第一发明，提供一种至少包含铽和至少包含铝和镓中一种元素的铽型顺磁性石榴石单晶体。其中，铈和镨中的至少一种元素替代部分铽。
较佳地，在根据本申请第二发明的铽型顺磁性石榴石单晶体中，单晶体用如下化学式表示：(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示铈和镨中的至少一种元素，N表示铝和镓中的至少一种元素，x值在0.01≤x≤2的范围内。
较佳地，在根据本申请第三条发明的铽型顺磁性石榴石单晶体中，单晶体用如下化学式表示：(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示铈，N表示铝和镓中的至少一种元素，x值在0.01≤x≤1范围内。
较佳地，在根据本申请第四发明的铽型顺磁性石榴石单晶体中，单晶体用下列化学式表示：(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示镨，N表示铝和镓中的至少一种元素，x值在0.01≤x≤2范围内。
较佳地，根据本申请第五发明的光磁装置包括，由本申请的第一至第四发明所定义的铽型顺磁性单晶体，作为一种光磁元件。
如上所述，用第一发明中的合成物，可以提供具有比非替代型TAG单晶体或TGG单晶体的费尔德常数更大的铽型顺磁性石榴石单晶体。利用上述的铽型顺磁性石榴石单晶体可提供一种甚至能传输可见光的小尺寸光磁装置。
此外，根据本申请的第二到第四发明的合成物，可以有把握地提供具有大费尔德常数的铽型顺磁性石榴石单晶体。较佳地，根据本申请的第四发明，用镨替代得到高稳定性。
此外，根据本申请的第五发明，光磁装置具有大的费尔德常数，这样，可以提供具有较大的法拉第效应的光磁装置，这种装置甚至可传输波长为400到450纳米波长范围内的可见光线。这样，可以提供能与具有可见范围波长的激光器匹配的光磁装置。
附图说明
图1是一张用于本发明实施例的激光器FZ装置的原理性透视图；
图2是一张按照本发明的样品4的反射型X射线劳厄照片；
图3是一张按照本发明的样品9的反射型X射线劳厄照片；
图4是一张参考样品1的反射型X射线劳厄照片；
图5原理性地示出按照本发明一个实施例的光磁装置结构；
图6示出样品2，7与10的磁场-时间特性；
图7示出样品2，7与10的光量-时间特性；
具体实施方式
在下文中将叙述本发明的铽型顺磁性石榴石单晶体和利用单晶体制成的光磁装置。
在本发明的至少包含铽元素和至少包含铝和镓中的一种元素的铽型顺磁性石榴石单晶体中，铈和镨元素中的至少一种元素用于替代部分铽元素，铈和镨两者均可加入进去。较佳地，这单晶体用下列化学式表示：
(Tb3-xMx)N5O12。
较佳地，铈和镨中的至少一种元素去替代M，铝和镓中的至少一种元素去替代N。较佳地，x在0.01≤x≤2范围内。
在铈替代部分铽的情况下，较佳地，x在0.01≤x≤1.0范围内。假若x小于0.01，则铈替代的效果不够，假如x大于1.0，费尔德常数变成饱和，并保持常数，即使再用铈替代也没有效果。铈的数量超过了在铽型顺磁性石榴石中的溶解极限。而且，假如铈的添加过量，铈在晶体中不能固体溶解分离，并这样，不希望地，传输因子可能降低。
在以镨替代部分铽的情况下，较佳地，x在0.01≤x≤2.0范围内，如果x小于0.01，镨替代的效果不够，因此，不希望地，费尔德常数不变大。如果x大于2.0，镨的量超过了铽型顺磁性石榴石中镨的溶解级限。而且，如果镨的添加过量，镨在晶体中不能固体溶解分离，这样，不希望地，传输因子可能降低。因为镨的固体溶解级限是2.0，所以镨可用比铈更大的量去替代部分铽。于是，可获得更大的费尔德常数。当铈和镨的原子价数为3时，可以直接对法拉第效应起作用。然而，铈在Ce4+时比在Ce3+状态时更稳定。因此，即使是想用铈简单地替代，可能沉积出CeO2。因此，在用铈去替代情况中，晶体化及生长必须在还原空气中进行(a reducing atmosphere)。另一方面，用镨去替代时，晶体化和生长比较容易实现。因为，镨在Pr3+状态下是稳定的，，并易于替代，而且，晶体可以在大气中生长。因此，镨比铈更为可取。
而且，在本发明的铽型顺磁性石榴石单晶体中，铈和镨中的一种元素替代了部分铽，此外，铈和镨以外的其它稀土元素可以替代部分的铽。较佳地，La(镧)，Nd(钕)，Sm(钐)，Eu(铕)，Gd(钆)，Dy(镝)，Ho(钬)，Er(铒)，Tm(铥)，Yb(镱)，Lu(镥)等用作稀土元素，在加入稀土元素的情况下，铽型顺磁性石榴石单晶体用下式表示：(Tb3-x-yMxRy)N5O12，其中，M表示铈和镨两元素中的至少一种元素，N表示铝和镓两元素中的至少一种元素。较佳地，Y值的范围为从0至1，换句话说，稀土元素不必要添加了，再者，如果Y超过1，不希望地，费尔德常数减少了，因为铽离子的总数足以促使法拉第效应降低。
按照本发明，铁(Fe)作为不纯物存在。然而，其数量小于50ppm，在某些情况下，铁不能真实地检测到，这要取决于分析设备的类型。
关于本发明中生产TAG单晶体的合适方法，较佳地，原材料棒具有顺磁性石榴石结构，它至少含有铽和铝，并且原材料棒和籽晶体中的至少一件是多孔。较佳地，这产品是用激光器FZ方法生产的，此方法包括：第一步，准备原材料棒和籽晶体；第二步：通过用光能照射将原材料棒和籽晶体互相熔化结合在一起；第三步，将光能照射区从熔化结合部移到原材料棒侧。
可从熔化区消除TbAlO3的钙钛矿相和类似物，用上述生产方法轻易地生成TAG单晶体。这样，能容易地生产出来由已知方法不能生产的如此大的TAG单晶体。因此，可以增加通过切割TAG单晶体形成的切片数量，并且必定能用作光磁装置的材料。按照已知的生产方法，关于分解熔化型的Tb3Al3O12，首先，在熔化区和固体之间的固-液界面内生成钙钛矿相，此后，生成Tb3Al5O12。这样，不可避免地，石榴石相和钙钛矿相混合在一起。对于已知的FZ方法，要求原料棒和籽晶有高的密度。相反，发明者发现，原料棒和籽晶两者中至少有一种是生成多孔形状的，而且这两者都是用光能量互相熔化结合的，结果形成熔化区，其中，熔化液体渗透进入多孔介质。生成的钙钛矿相作为初始相，预先沉积在多孔介质内。这样，如上所述，通过将钙钛矿相作为初始相沉积进多孔介质，从熔化区消除钙钛矿相。这样，就可获得较大的铽型石榴石单晶体。
下面介绍适用于实现上述生产方法的生产单晶的一种装置。图1是按照本发明第一个实施例所用的激光FZ(浮动区)装置的原理性透图。
激光FZ装置1，包括：产生激光光束的激光器装置5；起热辐盘射作用的盒子3；和能在盒3中垂直移动的轴2。轴2为一杆状支撑装置，它能分成上部轴2a和下部轴2b，垂直伸展穿过盒3的上，下表面。从而可在垂直方向移动。需要支撑的切片可以分别固定在上部轴2a和下部轴2b上。在盒3的两侧面上开了安装窗口透镜4a的窗口，这窗口必须开得能使支撑于轴2a上的切片与支撑于轴2b上的切片的连接部分能够受到激光束的集中照射。激光装置5放置在盒3的两边，放置得能使激光束能照射穿过盒3的2个窗口4。由放置在盒3两边的激光装置5发射的激光束穿过固定在盒3窗口4中的窗口透镜。这样，支撑在轴2上的切片受到来自相反方向的集中激光束的照射。
如上所述，轴2具有能使其在轴向运动的结构。因此，照射到由轴支撑的切片上的激光束的照射面积是可以移动的。用上述结构，有利地，原始材料棒和籽晶能连续不断地熔接在一起。同时，所获得的熔化区可以连续地得到冷却。更明确地，原料棒固定在上部轴2a，而籽晶固定在下部轴2b。原材料棒的一端用激光束照射，随后熔化。使熔化部分与支撑在下部轴2b上的籽晶体的一端接触，同时光能施加到该化部分，这样，原材料棒和籽晶被熔化并互相结合，形成熔化区。然后，轴2沿轴向往下移动。这样，在原材料棒和籽晶体熔化结合部的原材料棒一侧形成更多的熔化区。连续地，轴2沿轴向往下移动，以使熔化液体在籽晶体侧开始处逐渐冷却并固化。应当注意，可以使固定上部轴2a上的原料棒和固定在下部轴2b上的籽晶体相互接触。此后，熔化该接触部分，并因此，将原料棒和籽晶体熔接在一起。
较佳地，轴的移动速度不能高于30毫米/时，这速度取决于用作原材料的TAG多晶体的直径。如果熔化区沿轴向的移动速度高于30毫米/时，则晶体不能充分熔化，并因此，很难使溶化区转变成单晶体。在这种情况，激光照射位置是固定的，轴2能沿轴向移动。激光器FZ装置可以具有能使激光束移动的结构。
关于在此应用的激光装置5，较佳地，波长在1.6纳米至100纳米范围内。应当注意，100纳米波长是光的最大波长。TAG单晶体不能吸收波长小于6纳米的激光束。因此，或许原料棒不能被充分熔化。作为波长不小于1.6纳米的激光装置较佳地应为二氧化碳(CO2)气体激光器。在二氧化碳气体激光装置情况，辐照的激光束波长较长。这样，尽管该晶体为具有宽的透光波长区(widetransparent wavelength zone)的TAG晶体，该晶体能充分吸收激光束，且TAG多晶体便于熔接。此外，可以应用一种准分子激光器装置。
如上所述，两个激光装置5放置在盒3的两边，这样，轴受到来自两边的激光束的照射。然而，激光装置5的位置并不限制于盒3的两边，这样，必须将光能集中地施加到TAG多晶体和籽晶体的连接部分。至少可安置3个激光装置，并且激光束能从正常位置照射到连接部分。这样，能将温度梯度可设置得更陡，并且，能通过安置多个激光束振荡源能增加照射面积，如上所述。这样，能提供更大的TAG单晶体。
通过调整激光装置5和轴2之间的距离也能控制激光束的强度，在轴2上固定有顺磁性石榴石单晶体7和籽晶体8。通过调整待形成晶体大小，盒子3的尺寸，透镜4的聚焦距离等能适当地控制激光束。
同样，根据本发明，为了用激光束更集中地照射TAG单晶体的一端，较佳地，要进一步提供聚光透镜构件6(collective lens member)。更明确地，聚光透镜构件6的放置在这样一个位置，即要使聚光透镜构件6的聚光透镜6b放置在透过盒3的窗口及激光振荡器端口5A的延长线上，并使激光束能通过盒子3的窗口照射到支撑在上部轴2a上的切片的末端，聚光透镜6b不需要相同于盒子3的窗口4上的窗口透镜4a。在采用CO2气体激光器的情况下，较佳地，聚光透镜6b用ZnSe制成。此外，可以使用聚光透镜之外的设备，假如这些设备能会聚激光束。
在上面描述中，如同支撑切片那样使用原料棒和籽晶体。将原料棒固定在轴2a上，而将籽晶体固定轴2b上。另一方向，籽晶体可以固定在轴2a上，而原料棒可以固定在轴2b上。而且，上部轴2a和下部轴2b可以按同一速度，同一方向旋转。因此，激光束能照射到固定在轴2a上和轴2b上的切片的连接部分的广阔面积上。
TAG单晶体是同时熔化型复合物。因此，除上述的激光器FZ法外，单晶体可用提拉法(Czochralski)或类似方法生长。
通过使用发明的铽型顺磁性石榴石单晶体的生产方法获得的TAG单晶体和TGG单晶体能用于光磁装置中，更精确地说，光学绝缘器，光衰减器，光学开关，光流通器等。另外，TAG单晶体和TGG单晶体能用作不同类型的光磁传感器材料，如旋转传感器，流动速率传感器，电流传感器等。
将参考附图5所示的光磁传感器描述本发明光磁装置的一个实施例。在下文中，将用参考附图5描述按照本发明的光磁传感器的一个实施例。在下面的说明中，术语“光轴”的总的意义是用来描述光的传播路线。术语“入射”是指一个方向，在此方向上由光源发出的光束首先进入光磁传感器，术语“出射(outgoing)”是指一个方向，在此方向上，光束从光磁传感中射出来，图5原理性示出本发明的光磁传感器的结构。光磁传感器11包括，法拉第转子12，偏振器13，分析器14，光照装置15与光传感装置16。在此情况中，偏振器11放在法拉第转子12的入射边，而分析器14放置在法拉第转子12的出射边，并与光轴平行。偏振器13和分析器14按这样一种方向放置，使其上的偏振面垂直于光轴，因此，通过法拉第转子12的光轴能够通过该偏振面。光照装置15放置在这样的位置上，以使光束能够入射到偏振器13上。即，光照装置15没有必要沿通过法拉第转子12的光轴放置，例如，总反射镜17a可以放在光照装置15和偏振器13之间。这样，光束从总反射镜17a反射出来，同时光路改变了。由于总反射镜17a放置在光照装置15和偏振器13之间，光传感器11的尺寸可以缩小，而且，由于和总反射镜17a相同的理由，总反射镜17b可以放在分析器14和光传感装置16之间。此外，聚光透镜18a和18b可以分别放在总反射镜17a和偏振器13之间，以及放在总反射镜17b和分析器14之间。在这种情况，由于配置了聚光透镜18a，光束就能有效地入射到法拉第转子12上。此外，由于配置了聚光透镜18b，光束能有效地入射到光传感装置16上，较佳地，本发明的铽型顺磁性石榴石单晶体能用作上述光磁传感器的法拉第转子12。
假设有含有附着其上的永久磁铁的推进器(impeller)放在法拉第转子边上，以产生磁场。该磁场平行在施加到法拉第转子光轴。基于这个假设，上述的光磁传感器的动作描述如下：首先，由光发射装置15射出的光束投射到总反射镜17a上，在转折90度角后，反射光束变成平行地光学轴，通过法拉第转子12。这反射光束被聚光透镜18b(应为18a)聚焦，并通过偏振器13。这样，具有与偏振器13相同偏振面的光束入射到法拉第转子12。在这种情况下，由于法拉第效应，入射光束的偏振面相对于法拉第转子12内光束的传输方向旋转了相应于法拉第转角的一个量。这样，从法拉第旋转器12射出的光束穿过分析器14。以输出具有与分析器14相同偏振面的光束。从分析器14输出的光束通过聚光透镜18b。然后，这光束在总反射镜17b上被反射。其光学轴转折了90度角。关于反射光束的光量由光感装置16检测。
[实验1]
(实例1)
1、第一步过程
首先，为顺磁性石榴石多晶体准备初始原材料，Tb4O7(纯度：99.9％)；Al2O3(纯度：99.99％)，和Pr2O3(纯度：99.9％)，使生长的晶体含有表1所示的样品1到5的成分。然后，将甲苯和分散剂添加到初始原材料的混合物粉末内。将混合粉末混合并用球碾压约48小时。将有机结合剂添加到形成的液体混合物中，并进一步混合24小时，这样得到的膏剂状的混合物经通风吹干，并用橡皮辊碾压，使其形成约50纳米厚的薄片。再用液压装置碾压上述形成的复合原材料薄片，并压接在一起。然后，将这层压板切成矩形。这样获得的层压碎片在1600℃下烧制2小时。这样，制成了用作样品1至5的棒状TAG型多晶体。
2、第二过程
在第一过程中生产的用作样品1至5的每种TAG多晶体7要如此放置在上述激光器FZ装置中，以使每个TAG型多晶体固定在激光器FZ装置的上部轴2a的一端上。含有TAG单晶体的籽晶体8放置在下部轴2b的一端上。在盒3的内部是在大气压下，由激光装置5发射激光束，以便固定在上部轴2a一端上的TAG多晶体7的端点被加热熔化。TAG多晶体7的熔化部分连接到固定在下部轴2b上的籽晶体的一端点。
3、第三过程
接着，用激光束照射用作样品1至5的每个TAG多晶体7的端点和籽晶体8端点的熔化连接部分。于是，形成了熔化区。在这种情况，激光装置与熔化区间的距离约为50厘米，更具体地，这里所用的激光装置是二氧化碳(CO2)气体激光装置，它能输出波长为10.6微米的CO2气体激光束，输出为60瓦。
接着，轴以30毫米/时或更低的速度沿轴方向向下移动。从而，使激光束照射区向熔化连接部分的原始材料棒侧移动。位于熔化区内籽晶体侧上的熔化液体经冷却并凝固，获得的晶体用作样品1至5。对获得的晶体形状进行测定，该晶体是纤维状的，其直径为1毫米，长27毫米。
(实例2)
晶体的制造方法与实例1相同，所不同的是准备制作顺磁性石榴石多晶体的初始原材料：Tb4O7(纯度：99.9％)；Al2O3(纯度：99.99％)，和CeO2(纯度：99.9％)，使生长的晶体含有表1所示样品6到9的成分。而该晶体是在还原空气下生长的。
(比较实例1)
晶体的制造方法与实例1相同，所不同的是准备制作顺磁性石榴石多晶体的初始原材料：Tb4O7(纯度：99.9％)；和Al2O3(纯度：99.99％)，并且所生产的纯TAG单晶体含有表1所示的样品10的晶体成分。
(比较实例2)
晶体的制造方法与实例1相同，所不同的是准备制作顺磁性石榴石多晶体的初始原材料：Tb4O7(纯度：99.9％)，Al2O3(纯度：99.99％)，Nd2O3(纯度：99.9％)，Sm2O3(纯度：99.9％)，和Eu2O3(纯度：99.9％)，该晶体含有表1所示的样品11至13的TAG型多晶体的晶体成分。
按下面描述方法来估计按如上所述制成的样品1至13的晶体是否是目标单晶体。
对实例1中得到的样品4，实例2中得到的样器9及在比较实例1中得到的样品10的纯TAG单晶体，进行反射型X射线劳厄(Laue)拍照，图2至图4按顺序示出样品4，5至10的照片。如图2到4所见的，即使在用镨与铈替代铽的情况下，TAG单晶体的反射型劳厄(Laue)图像是相互一致的。这样，可见生长方向的控制是可以实现的。这样，可看到依据本发明制造方法制成的样器4与9是铽·铝顺磁性石榴石单晶体。
然后，将样品1至3的晶体切割成圆盘形，其镜面是用高精度抛光装置抛光制成。当施加1千奥斯特(KOe)的磁场(H)时，用输出为1毫瓦和波长为633纳米的氦-氖(He-Ne)激光束照射法拉第转子2。随后，关于从法拉第转子射出来的光束，用正交尼科尔(Cross Nicol)法测定法拉第旋转角(θf)，此值代入V＝θf/(d x H)中的θf，这样，测定了有效的费尔德常数，表1示出结果。
[表1]
    样品号     晶体成分     费尔德常数(°/Oe.cm)
    *1     Tb<sub>2.991</sub>Pr<sub>0.009</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0097
    2     Tb<sub>2.8</sub>Pr<sub>0.2</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0140
    3     Tb<sub>2.5</sub>Pr<sub>0.5</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0350
    4     Tb<sub>2</sub>Pr<sub>1</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0700
    5     Tb<sub>1</sub>Pr<sub>2</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.1400
    *6     Tb<sub>2.991</sub>Ce<sub>0.009</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0100
    7     Tb<sub>2.8</sub>Ce<sub>0.2</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0160
    8     Tb<sub>2.5</sub>Ce<sub>0.5</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0400
    9     Tb<sub>2</sub>Ce<sub>1</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0800
    *10     Tb<sub>3</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0092
    *11     Tb<sub>2</sub>Nd<sub>0.2</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0090
    *12     Tb<sub>2.8</sub>Sm<sub>0.2</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     -
    *13     Tb<sub>2.8</sub>Eu<sub>0.2</sub>Al<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0079
如表1中所见，在样品11至13中，至少不含铈和镨中的一种元素，并用另一种添加剂替代其中的铽，样品11至13的费尔德常数要比纯TAG单晶体的样品10的小。另一方面，在本发明范围内的样品2至5和样品7至9的费尔德常数要比纯TAG单晶体的大。关于样品1和6，样品中铈和镨所用量的成分比例均小于0.01，这可见铈和镨的作用不足以增加费尔德常数。样品12吸收了波长为633纳米的氦-氖激光束，因此不能进行测定。
[实验2]
(实例3)
首先，为顺磁性石榴石多晶体准备初始原材料：Tb4O7(纯度：99.9％)；Ga2O3(纯度：99.99％)，和Pr2O3(纯度：99.9％)，使晶体含有表1所示的样品14到18的成分。所准备的原材料和球一起放入一个塑料容器内，干燥混合一小时，在塑料容器内的球和原材料放入网格筐内。因此只能滤出球。将原材料放入铱制坩锅内，并在电炉内在大气中用1200℃煅烧2小时。此煅烧过的粉末经过网筛子筛过后，装入橡皮模具内，此粉末经水压机以2000公斤力/平方厘米的压力压制1分钟。于是，原材料的容积密度增加了。压过的原材料装入铱制坩锅中，放进高频感应加热装置的炉腔内。此坩锅经高频感应加热，并因此，原材料的温度升高。在这种情况，炉腔内部设置成适合晶体生长的环境(atmosphere)。在确认坩锅内的原材料已熔化后，使该熔液与作为籽晶体的TGG单晶体接触。在熔液与TGG单晶体相互保持充分地接触后，将该熔液以1毫米/时的速度提升，同时以4rpm的旋转速度旋转。这样，制成了样品14至1 8的TGG单晶体。所得的单晶体为环状(bulk shape)，其直径为50毫米，长为100毫米。
(实例4)
晶体的制造方法与实例3相同，所不同的是，为顺磁性石榴石多晶体准备原材料：Tb4O7(纯度：99.9％)；Ga2O3(纯度：99.99％)，和CeO2(纯度：99.9％)，使晶体含有表1所示的样品19至23的成分，以及该晶体是在还原空气的条件下生长的。
(比较实例3)
晶体的制造方法与实例3相同，所不同的是，为顺磁性石榴石多晶体准备原材料：Tb4O7(纯度：99.9％)；Ga2O3(纯度：99.99％)，使纯TAG单晶体含有表1所示的样品24的晶体成分。
(比较实例4)
晶体制造方法与实例3相同，所不同的是，为顺磁性石榴石多晶体准备原材料，Tb4O7(纯度：99.9％)；Ga2O3(纯度：99.99％)；Nd2O3(纯度：99.9％)；Sm2O3(纯度：99.9％)和Eu2O3(纯度：99.9％)，使该晶体含有表2所示的样品25至27的TGG型多晶体的晶体成分。
然后，样品14至27的晶体切割成圆盘形，并用高精度抛光装置抛光成镜面。当施加为1KOe的磁场(H)时，用波长为633纳米及输出功率为1mW的氦-氖(He-Ne)激光束照射法拉第转子2。然后，关于从法拉第转子射出的光束，用正支尼科尔(Cross Nicol)法测定法拉第转角(θf)。此值代入V＝θf/(dx H)中的θf。这样，测定了有效的费尔德常数，表2示出这些结果。
    样品号     晶体成分     费尔德常数(°/Oe·cm)
    *14     Tb<sub>2.995</sub>Pr<sub>0.05</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0077
    15     Tb<sub>2.9</sub>Pr<sub>0.1</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0105
    16     Tb<sub>2.8</sub>Pr<sub>0.2</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0135
    17     Tb<sub>2</sub>Pr<sub>1</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0375
    18     Tb<sub>1</sub>Pr<sub>2</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0675
    *19     Tb<sub>2.995</sub>Ce<sub>0.05</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0078
    20     Tb<sub>2.9</sub>Ce<sub>0.1</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0115
    21     Tb<sub>2.85</sub>Ce<sub>0.15</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0140
    22     Tb<sub>2.3</sub>Ce<sub>0.7</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0355
    23     Tb<sub>2</sub>Ce<sub>1</sub>Ga<sub>2</sub>O<sub>12</sub>     0.0475
    *24     Tb<sub>3</sub>Ga<sub>2</sub>O<sub>12</sub>     0.0075
    *25     Tb<sub>2.8</sub>Nd<sub>0.2</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0090
    *26     Tb<sub>2.8</sub>Sm<sub>0.2</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     -
    *27     Tb<sub>2.8</sub>Eu<sub>0.2</sub>Ga<sub>5</sub>O<sub>12</sub>     0.0079
如表2中所见的，在样品25至27中，至少不含铈和镨中的一种，且部分铽是被其他添加物替代，样品25至27的费尔德常数要比为TGG纯单晶体的样品24的费尔德常数小。另一方面，可以看到，均属本发明范畴的样品15至18和样品20至23的费尔德常数比纯TAG单晶体的样品24的费尔德常数大。关于样品14与19，其中铈和镨的用量小于0.01，这样，可见铈和镨的作用不足以增加费尔德常数。样品26吸收了波长为633纳米的氦-氖激光束，因此不能进行测量。
[实验3]
首先，准备以下三种单晶体：在实例1中，用镨替代部分铽获得作为法拉第转子的样品2单晶体；在实例2中，用铈替代部分铽获得样品7的单晶体，在比较实例中获得样品10的纯单晶体。每种单晶体均加工成圆柱形状，长为1毫米，横截面直径为1毫米。法拉第转子一端至另一端的长度对其的直径之比为1。其次，准备由金红石制成的偏振器和分析器以及与由石英制成的聚光透镜。从光束入侧起按光轴方向循序地排列：聚光透镜中的一面，偏振器，法拉第转子，分析器和另一面聚光透镜。在光发射设备和聚光透镜之间，以及在用作光传感器的光检测器和聚光透镜之间提供总反射镜。光发射设备是这样放置的，以使由光发射设备发射的光束能在总反射镜上以90度角反射，且这反射光束将变成平行于法拉第转子。而且，光传感设备是这样放置的，以使从法拉第转子射出的光束，在总反射镜上以90度角反射。这样，用样品2，7和10分别生产出具有图5所示配置的磁传感器。
磁场的变化由下述方法测定。首先，将在其顶部含有磁铁的推进器(impeller)放置在每个光磁传感器的法拉第转子边上，推进器由电动机转动，这样，磁场强度在50至250奥斯特范围内。图6示出磁场强度的变化。然后，每个光磁传感器用氦-氖激光器(波长为633纳米)的激光束照射，由光检测器测定法拉第转子射出的光束量随磁场的变化。图7示出光量的变化。
如图6和图7所见，关于使用由样品2，7和10制成的法拉第转子的光磁传感器，图6所示的施加到法拉第转子的磁场强度变化的曲线，和图7所示的由光检测器测到的光量曲线具有相同的波形。这显示全部磁场的变化转变成了光通量变化。再有，关于用镨替代部分铽的样品2和用镨替代部分铽的样品7，检测到的光量的差异大于纯TAG单晶体样品10的变化量的差异。这显示，样品2和7的光磁传感器具有高的灵敏度。
在上述描述中，典型地，本发明的铽型顺磁性石榴石单晶体用在测量电流的光磁传感器中。另外，铽型顺磁性石榴石单晶体也可用作旋转传感器，流量传感器等的光磁传感材料。此外，本发明的铽型顺磁性石榴石单晶体可用于诸如光学绝缘器，光衰减器，光学开关，光循环器等光磁装置中。
工业应用
如上所述，本发明的铽型石榴石顺磁性单晶体与光磁装置能用于各种不同的领域，例如，电力，摩托车，设备等等领域，并用于光传输必须要稳定的光学通讯领域。在这些领域中，通过用光束检测磁场来检测现场的变化。

Claims (4)

1.一种铽型顺磁性石榴石单晶体，其特征在于，至少包括铽，并至少包括铝和镓中的一种元素，其中，铈和镨中的至少一种元素替代部分铽，所述单晶体用下列化学式表示：(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示铈和镨中的至少一种元素，N表示铝和镓中的至少一种元素，x值在0.01≤x≤2的范围内。
2.按照权利要求1所述铽型顺磁性石榴石单晶体，其特征在于，所述单晶体用下列化学式表示：(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示铈，N表示铝和镓中的至少一种元素，x值在0.01≤x≤1的范围内。
3.按照权利要求1所述铽型顺磁性石榴石单晶体，其特征在于，所述单晶体用下列化学式表示：(Tb3-xMx)N5O12，式中M表示镨，N表示铝和镓中的至少一种元素，x值在0.01≤x≤2的范围内。
4.一种光磁装置，其特征在于，包括作为光磁元件的在权利要求1至3中任一权项所定义的铽型顺磁性石榴石单晶体。
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