CN101649488A - 一种用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，包括以下步骤：a.将氧化镓(Ga2O3)溶于硝酸溶液得到硝酸镓溶液；b.将氧化铽(Tb4O7)溶于硝酸溶液得到硝酸铽溶液；c.将上述两种溶液按照Ga∶Tb＝3∶5的摩尔比进行充分的混合，得到混合溶液A；d.配制一定浓度的氨水溶液(过量)；e.将混合溶液A和氨水溶液按照相同的流量同时滴入一较大容器中，边滴边搅拌，同时逐滴往该容器中滴入氨水，使得溶液pH值维持在9～11之间，直到溶液沉淀完全；d.将上述沉淀静置一定的时间后，依序进行洗涤、过滤、再沉淀；e.将再沉淀好的铽镓石榴石前趋物进行烘干、压片；f.对压好片的铽镓石榴石在高温下烧结适当的时间。采用本发明获得的铽镓石榴石原料可用于提拉法生长单晶体，得到的晶体质量好，无明显的开裂、散射、条纹和黑点，且铽镓石榴石晶体加工成品率高。

Description

一种用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法
技术领域
本发明涉及一种用于提拉法生长铽镓石榴石以及稀土离子掺杂铽镓石榴石晶体的原料合成方法。
背景技术
从宏观来看，光纤通信主要包括光纤、光电子器件及光通信系统设备等三个部分。光电子器件包括有源器件和无源器件。有源器件有光源(发光二级管、激光器)、光电检测器(光电二极管、雪崩光电二极管)和光放大器(光纤放大器、半导体激光放大器、光纤喇曼放大器)以及由这些器件组成的各种模块等。无源器件包括连接器、光耦合器、光衰减器、光隔离器、光开关和波分复用器等。同时还有光电集成OEIC和光子集成PIC器件。光纤通信系统的性能在很大程度上依赖于光通信元器件的进步。光纤技术的进步使其成为当今社会信息传输的主要媒介。光隔离器是光电子器件的重要组成部分，更是光纤通信的关键单元。
光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。法拉第效应是法拉第在1845年首先观察到不具有旋光性的材料在磁场作用下使通过该物质的光的偏振方向发生旋转，也称磁致旋光效应。沿磁场方向传输的偏振光，其偏振方向旋转角度θ和磁场强度B与材料长度L的乘积成比例。对于正向入射的信号光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏振方向右旋45度，并恰好使低损耗通过与起偏器成45度放置的检偏器。对于反向光，出检偏器的线偏振光经过放置介质时，偏转方向也右旋转45度，从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。
光隔离器的作用是防止光路中由于各种原因产生的后向传输光对光源以及光路系统产生的不良影响。例如，在半导体激光源和光传输系统之间安装一个光隔离器，可以在很大程度上减少反射光对光源的光谱输出功率稳定性产生的不良影响。在高速直接调制、直接检测光纤通信系统中，后向传输光会产生附加噪声，使系统的性能劣化，这也需要光隔离器来消除。在光纤放大器中的掺杂光纤的两端装上光隔离器，可以提高光纤放大器的工作稳定性，如果没有它，后向反射光将进入信号源(激光器)中，引起信号源的剧烈波动。在相干光长距离光纤通信系统中，每隔一段距离安装一个光隔离器，可以减少受激布里渊散射引起的功率损失。因此，光隔离器在光纤通信、光信息处理系统、光纤传感以及精密光学测量系统中具有重要的作用。
光隔离器的特点是高隔离度、低插损；高可靠性、高稳定性；极低的偏振相关损耗和偏振模色散。法拉第光旋转器由磁光材料、磁体及调整机构等几个主要部分构成。铽镓石榴石(Tb3Ga5O12，TGG)磁光晶体是应用于400nm-1100nm波段的法拉第器件的理想材料。法拉第器件利用的就是TGG晶体的非互易法拉第效应。
TGG单晶具有大的费尔德常数、低的光学损耗、高的热导率和高的光损伤阈值，是一种优异的磁光材料，可用于法拉第器件尤其适合于YAG激光、钛宝石可调谐激光、环形激光和种子注入的激光器。
目前在合成TGG原料的工艺中，通常利用Ga2O3与Tb4O7粉末在高温下锻烧固相合成。固相合成方法需要消耗大量能源，生产过程中的加热设备配置要求较高，因此并不理想。本发明是在一定pH值下在硝酸镓和硝酸铽液相中进行液相合成的方法。该方法具有成本低、耗能小、可操作性强、对生产设备配置要求较低等优点。
发明内容
本发明的目的是解决提拉法生长的TGG晶体存在易开裂、有条纹、晶体发黑等问题，提供一种适用于提拉法生长TGG以及稀土离子掺杂TGG晶体的原料合成方法。对于TGG的液相合成，具体包括如下步骤：
(1)Ga2O3(4N)的溶解：将Ga2O3完全溶解于浓硝酸溶液中获得Ga(NO3)3溶液；
(2)Tb4O7(4N)的溶解：将Tb4O7完全溶解于浓硝酸溶液中获得Tb(NO3)4溶液；
(3)将Ga(NO3)3溶液和Tb(NO3)4溶液按照摩尔比3∶5的比例进行充分的混合，得到的混合溶液A；
(4)配制一定量的2.5mol/L的氨水溶液B；
(5)将上述混合溶液A和氨水溶液B，按照相同的流量流入一大型容器中，使得混合溶液的pH值维持在9～11左右，此时生成的白色沉淀即为铽镓石榴石前趋物；
(6)将上述反应物陈化静置12～24小时；
(7)使用蒸馏水对上述沉淀进行洗涤，随后进行过滤、再沉淀；
(8)对(7)得到的沉淀物在100℃下烘干；
(9)压片；
(10)800～1200℃下烧结10～20小时。
采用上述合成方法得到的Tb3Ga5O12原料装入铱坩埚，并放入提拉炉，原料熔化后装入籽晶杆，采用引上法提拉单晶，经过一定时间的退火工艺，获得的TGG单晶体无开裂、无黑点、无散射、无生长条纹，且该晶体经过后续加工得到的成品率高。
对于稀土离子掺杂铽镓石榴石的液相合成，具体包括如下步骤：
(1)Ga2O3(4N)的溶解：将Ga2O3完全溶解于浓硝酸溶液中获得Ga(NO3)3溶液；
(2)Tb4O7(4N)的溶解：将Tb4O7完全溶解于浓硝酸溶液中获得Tb(NO3)4溶液；
(3)稀土离子RE3+(Nd3+、Ce3+、Yb3+)溶液的制备：将稀土氧化物溶解于浓硝酸溶液中得到RE(NO3)3溶液；
(4)将混合有RE(NO3)3的Ga(NO3)3溶液和Tb(NO3)4溶液按照摩尔比3∶5的比例进行充分的混合，得到混合溶液A’，其中RE离子的掺杂浓度为0～5mol％；
(5)配制一定量的2.5mol/L的氨水溶液B；
(6)将上述混合溶液A和氨水溶液B，按照相同的流量流入一大型容器中，使得混合溶液的pH值维持在10左右，此时生成的白色沉淀即为铽镓石榴石前趋物；
(7)将上述反应物陈化静置12～24小时；
(8)使用蒸馏水对上述沉淀进行洗涤，随后进行过滤、再沉淀；
(9)对(8)得到的沉淀物在80℃下烘干；
(10)压片；
(11)1000～1200℃下烧结10～20小时。
采用上述合成方法得到的稀土离子掺杂Tb3Ga5O12原料同样可以获得高质量的单晶。
附图说明
图1是本发明流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1(Tb3Ga5O12的液相合成)：
将纯度为99.99％的Ga2O3完全溶解于浓硝酸溶液中获得Ga(NO3)3溶液。将Tb4O7完全溶解于浓硝酸溶液中获得Tb(NO3)4溶液。配制一定量的2.5mol/L的氨水溶液B。将Ga(NO3)3溶液和Tb(NO3)4溶液按照摩尔比3∶5的比例进行充分的混合，得到的混合溶液A。配制一定量的2.5mol/L的氨水溶液B。将上述混合溶液A和氨水溶液B，按照说明书附图的合成路线的方法，将A和B溶液以相同的流量流入一大型容器中，并进行长时间搅拌使得pH值控制在10左右，此时生成的白色沉淀即为铽镓石榴石前趋物。将上述反应物陈化静置12～24小时，使用蒸馏水对上述沉淀进行洗涤，随后进行过滤、再沉淀。随后沉淀物在100℃下烘干，压片，随后将压好的片放入马弗炉中1100℃烧结16小时，产品为白色。将白色块料装入铱金坩埚，进行提拉法生长TGG单晶。
实施例2(Ce掺杂TGG的液相合成)：
将纯度为99.99％的Ga2O3和CeO2(Ce的摩尔百分比为1％)完全溶解于浓硝酸溶液中获得Ga(NO3)3溶液。将Tb4O7完全溶解于浓硝酸溶液中获得Tb(NO3)4溶液。配制一定量的2.5mol/L的氨水溶液B。将Ga(NO3)3溶液和Tb(NO3)4溶液按照摩尔比3∶5的比例进行充分的混合，得到的混合溶液A。配制一定量的2.5mol/L的氨水溶液B。将上述混合溶液A和氨水溶液B，按照说明书附图的合成路线的方法，将A和B溶液以相同的流量流入一大型容器中，并进行长时间搅拌使得pH值控制在10左右，此时生成的白色沉淀即为掺铈铽镓石榴石(Ce:TGG)前趋物。将上述反应物陈化静置12～24小时，使用蒸馏水对上述沉淀进行洗涤，随后进行过滤、再沉淀。随后沉淀物在100℃下烘干，压片，随后将压好的片放入马弗炉中1200℃烧结16小时，产品为白色。将白色块料装入铱金坩埚，进行提拉法生长Ce:TGG单晶。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1、一种用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，包括以下步骤：a、氧化铽(Tb4O7)溶于硝酸溶液得到硝酸铽溶液；b、将氧化铽(Tb4O7)溶于硝酸溶液得到硝酸铽溶液；c、将上述两种溶液按照Ga∶Tb＝3∶5的摩尔比进行充分的混合，得到混合溶液A；d、配制一定浓度的氨水溶液(过量)；e、将混合溶液A和氨水溶液按照相同的流量同时滴入一较大容器中，边滴边搅拌，同时逐滴往该容器中滴入氨水，使得溶液维持在一适当的pH值在9～11之间；d、将上述沉淀静置一定的时间后，依序进行洗涤、过滤、再沉淀；e、将再沉淀好的铽镓石榴石前趋物进行烘干、压片；f、对压好片的铽镓石榴石在高温下烧结适当的时间。
2、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于，所述先将硝酸镓溶液和硝酸铽溶液按照Ga∶Tb＝3∶5的摩尔比进行充分的混合。
3、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于，所述预先配制好浓度为2.5m/L的氨水溶液。
4、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于，所述硝酸镓和硝酸铽混合溶液同时滴入一容器中，使得氨水与硝酸盐溶液进行充分的反应。
5、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于：所述容器中的pH值是通过往该容器中滴加氨水溶液来控制的，使得pH值维持在9～11之间。
6、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于，所述TGG前趋物的静置时间为10～24小时。
7、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于，所述压好片的TGG的烧结温度为1000～1200℃，烧结时间为10～20小时。
8、根据权利要求1所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于：所述稀土离子掺杂铽镓石榴石(RE1-xTbx)3Ga5O12(0≤x≥1)原料制备在于稀土离子主要包括Nd3+、Yb3+、Ce3+等，在配制硝酸盐溶液时，采用RE2O3溶于硝酸溶液得到的。
9、根据权利要求8所述用于提拉法生长铽镓石榴石晶体的合成方法，其特征在于：所述稀土离子掺杂铽镓石榴石(RE1-xTbx)3Ga5O12(0≤x≥1)原料其中稀土离子RE掺杂浓度为0～5mol％。
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