CN116575120A - 一种新型高功率磁光晶体及其生长方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型高功率磁光晶体及其生长方法与应用，该晶体分子式为Tb3(Sc1‑xGax)2Al3O12，其中，0<x<1；本发明采用熔体法进行晶体生长，优先采用提拉法进行，通过Ga3+掺杂可以改善熔体特性，降低晶体熔点，降低熔体黏度，提高熔体流动性，调节离子间距，进行晶格调控，减少晶格畸变，缓解畸变应力，减少晶体内应力，最终制备完整无开裂的可满足高功率应用的新型铽钪镓铝石榴石磁光晶体，所生长的晶体质量高，加工性能好，磁光性能优异，可应用于光隔离器，光非互异元件，磁光开关等磁光元件。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型高功率磁光晶体及其生长方法与应用，属于磁光晶体与器件技术领域。
背景技术
法拉第隔离器作为激光系统的核心组件，具有防止反射光传播、确保激光单向传输和保护前端系统等功能，在信息通讯、高端制造、医疗诊断治疗和国防安全等多个领域引起广泛的关注。而磁光晶体作为法拉第隔离器的关键材料，决定着隔离器的实际性能。近些年来，随着科学技术的快速发展，促使器件不断向高功率、小型化、低成本方向前进，并且对磁光材料提出了更高的性能要求。因此，为满足高功率器件发展需求，需要磁光晶体满足具有优异的磁光性能，低的吸收系数，高的透过率和高质量等性能。
铽镓石榴石(Tb3Ga5O12，TGG)磁光晶体是当前应用最广泛的磁光晶体之一，但是该晶体生长过程中存在Ga2O3易挥发分解等难题，在大尺寸高均匀性生长方面还存在较大的困难，并且随着科学技术的快速发展，需要更高性能磁光晶体才能满足未来科技发展需求。铽铝石榴石(Tb3Al5O12，TAG)磁光晶体具有更为优异的磁光性能，但由于其具有非一致熔融的特性，难以获得大尺寸单晶，无法满足实际应用需求。铽钪铝石榴石(Tb3Sc2Al3O12，TSAG)磁光晶体改善了TAG晶体的熔体特性，可采用提拉法制备单晶，TSAG晶体的费尔德常数更高(高20％以上)、吸收损耗更低(低30％以上)，在1440W的高功率激光隔离系统中得到了35.4dB的高隔离度，是目前高功率激光隔离的最高记录。但不足之处是该晶体存在组分分布不均匀的现象，并且石榴石结构十二面体格位与四面体和八面体格位离子半径差距较大，存在格位不匹配的问题，使晶体内部存在一定畸变应力，导致晶体易开裂，限制其高功率应用。因此，目前急需一种完整无开裂、大尺寸、新型高性能磁光晶体来满足未来科技发展需求。
发明内容
针对现有技术存在的问题，尤其铽钪铝石榴石晶体易开裂，无法满足高功率应用的难题，本发明提供一种新型高功率磁光晶体及其生长方法与应用。
本发明通过Ga3+掺入改性，对晶格结构进行调控，增大熔体流动性，减少晶格畸变，缓解畸变应力，提高熔体流动性，降低熔体黏度，减少晶体内应力，并采用熔体提拉法生长晶体，最终制备完整无开裂可满足高功率应用的磁光晶体；得到的磁光晶体为一种新型铽钪镓铝石榴石磁光晶体，尺寸大，完整无开裂，加工性能良好，具有优异的磁光性能。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种新型高功率磁光晶体，该磁光晶体的分子式为Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12，其中，0<x<1。
根据本发明优选的，磁光晶体的分子式为Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12，其中，0<x<0.5。
根据本发明优选的，晶体属于立方晶系石榴石结构，空间群为Ia-3d。
本发明分子式为Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12磁光晶体，简称TGSAG。
上述新型高功率磁光晶体的生长方法，采用熔体提拉法，包括步骤如下：
(1)多晶料的制备
按照磁光晶体的分子式Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，Tb4O7、Sc2O3、镓源和Al2O3；使用混料机混合24-48h，使原料充分混合均匀；使用液压机，压制成圆柱状紧密的块体，装入刚玉坩埚中，采用固相烧结法，在空气气氛下烧结，得到多晶料；
(2)晶体生长准备工作
a、将步骤(1)制备好的多晶料加入坩埚中，置于生长设备中，加热熔化，直至液面高度达到距离坩埚上沿3-5mm处；
b、将籽晶与籽晶杆装配在一起，并使籽晶旋于坩埚中央上方；
c、对生长设备抽真空，待稳定后充入保护气体至一个大气压；
(3)晶体生长
调节下种温度，将籽晶缓慢下入熔体，采用熔体提拉法生长晶体，待籽晶微熔收径至直径为1-3mm，进入自动控制程序进行放肩、等径、收尾阶段；待生长结束后，缓慢地将晶体提脱；降温到室温后取出晶体；将晶体在空气气氛下进行退火。
根据本发明优选的，步骤(1)中，所述镓源为Ga2O3。
根据本发明优选的，步骤(1)中，Tb4O7、Sc2O3、镓源和Al2O3纯度为99.99％。
根据本发明优选的，步骤(1)中，固相烧结法烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为12-36h。
根据本发明优选的，步骤(2)中，晶体生长所使用的坩埚为铱金坩埚。
根据本发明优选的，步骤(2)a中，加热熔化在保护气体下进行，保护气体为氩气或氮气。
根据本发明优选的，步骤(2)中，籽晶为<111>方向的定向籽晶。
根据本发明优选的，步骤(2)中，充入的保护气体为氩气或氮气；
根据本发明优选的，步骤(3)中，将原料加热至过热20℃并恒温1-2h以使熔体充分混合均匀。
根据本发明优选的，步骤(3)中，晶体生长温度为1750～1950℃，生长速度为0.5～3.0mm/h。
根据本发明优选的，步骤(3)中，生长晶体时，提拉速度：0.4-3mm/h，转晶速度：8-30rpm，晶体生长至所需尺寸时，拉至脱离熔体表面1-15mm，随后阶段性退火至室温，降温速度为20-40℃/h。
根据本发明优选的，步骤(3)中，退火为于1200-1400℃恒定24-48h，然后以10-20℃/h的速率缓慢降至室温。
本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
本发明得到的高功率磁光晶体是指吸收损耗更低(低30％以上)，在1440W的高功率激光隔离系统中得到了35.4dB的高隔离度，是一种新型高功率磁光晶体。
生长设备按本领域的现有技术进行。
本发明的新型高功率磁光晶体作为磁光器件的部件使用时，对生长的晶体进行加工、抛光后使用。
一种新型高功率磁光晶体作为磁光器件材料的应用，包括如下任一种：
用于法拉第隔离器；
用于磁光调制器件；
或，作为起到磁光开关功能的磁光晶体；
根据本发明优选的：
a、新型高功率磁光晶体用于法拉第隔离器时，该晶体作为隔离器的核心组件，在与光线传播方向相同磁场的作用下，使入射光偏振方向发生偏转，只允许光从一个方向通过；
b、新型高功率磁光晶体用于磁光调制器件时，该晶体作为核心组件，在外加磁场的作用下，使光线的偏振面发生旋转，实现信号光束的调制；
c、新型高功率磁光晶体作为起到磁光开关功能的磁光晶体的应用时，通过改变外加磁场的大小，达到切换光路的效果。
本发明的积极进步效果在于：
1、本发明通过Ga3+掺入改性，对晶格结构进行调控，增大熔体流动性，减少晶格畸变，缓解畸变应力，提高熔体流动性，降低熔体黏度，减少晶体内应力，并采用熔体提拉法生长晶体，最终制备完整无开裂可满足高功率应用的磁光晶体；得到的磁光晶体为一种新型铽钪镓铝石榴石磁光晶体，尺寸大，完整无开裂，加工性能良好，具有优异的磁光性能。
2、本发明采用提拉法生长一种新型高功率磁光晶体，操作相对简单，生产周期较短。制备的晶体具有高的透过率、良好的光学性能、优异的磁光性能和良好的加工性能等优点，有希望制备大尺寸单晶；获得的晶体可方便加工成磁光器件；本方法使用的原料皆可在市场获得。
3、本发明得到的磁光晶体不仅完整无开裂，加工性能良好，磁光性能优异，同时结晶性好，不存在杂相，透过率高、光学性能好，吸收损耗低(低30％以上)。
附图说明
图1为实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体外观照片。
图2为对比例2制备的Tb3Sc2Al3O12晶体外观照片。
图3为实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体与对比例2制备的Tb3Sc2Al3O12晶体锅内余料结晶性的对比图。
图4为实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体及实施例2制备的Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12晶体X射线粉末衍射图谱与对比例2制备的Tb3Sc2Al3O12晶体标准衍射谱的对照。
图5为实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体及实施例2制备的Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12晶体与对比例1制备的Tb3Ga5O12晶体的Verdet常数对比。
图6为实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体及实施例3制备的Tb3Sc1.2Ga0.8Al3O12晶体与对比例1制备的Tb3Ga5O12晶体的透过率对比。
图7为实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体与对比例1制备的Tb3Ga5O12晶体的吸收系数的对比。
具体实施方法
下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12单晶制备
(1)多晶料的制备
按照磁光晶体的分子式Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，Tb4O7、Sc2O3、Ga2O3和Al2O3，初始原料纯度均为99.99％，使用混料机混合48h，使原料充分混合均匀；使用液压机，压制成圆柱状紧密的块体，装入刚玉坩埚中，采用固相烧结法，采用烧结炉在1350℃下煅烧48h，得到多晶料；
(2)晶体生长准备工作
a、将步骤(1)制备好的多晶料置于干净的铱金坩埚中，置于生长设备中，在氩气气氛下采用中频感应加热化料，直至液面高度达到距离坩埚上沿3mm处；并在过热20℃条件下恒温1-2h，使熔体充分混合均匀，并减少熔体中存在的微晶；
b、将籽晶与籽晶杆装配在一起，并使籽晶旋于坩埚中央上方；
c、对生长设备抽真空，待稳定后充入保护气体至一个大气压；
(3)晶体生长
随后缓慢下入籽晶，调节好下种温度使籽晶微熔收径，当籽晶直径收细至2-3mm时，进入自动直径控制程序进行放肩、等径、收尾阶段。生长过程中的拉速和转速分别为1-2mm/h和10-20rpm，晶体生长至目标尺寸时提脱晶体，然后按20-40℃/h速率缓慢降至室温，出炉。
晶体生长结束后,对晶体进行高温空气气氛退火，以消除晶体中的热应力以及缺氧环境导致的氧空位，提高晶体质量。具体退火程序为:将生长得到的晶体升温到1400℃恒温24h，然后缓慢降到室温。
实施例2：Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12单晶制备
如实施例1所述的制备方法，不同的是：
按照磁光晶体的分子式Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，Tb4O7、Sc2O3、Ga2O3和Al2O3，然后将原料放入混料机充分混合56h，压制成饼状后于马弗炉中烧结60h。晶体生长过程中拉速降至：0.5-1mm/h，转速为15-25rpm；晶体生长完毕提脱后，降温速率为20-30℃/h。
实施例3：Tb3Sc1.2Ga0.8Al3O12单晶制备
如实施例1所述的制备方法，不同的是：
按照磁光晶体的分子式Tb3Sc1.2Ga0.8Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，Tb4O7、Sc2O3、Ga2O3和Al2O3，然后将初始原料放入混料机充分混合40h，压制成饼状后于马弗炉中烧结48h。
晶体生长过程中拉速为：1mm/h，转速为12rpm；晶体生长完毕提脱后，降温速率为25℃/h。
实施例4：Tb3Sc0.8Ga1.2Al3O12单晶制备
如实施例1所述的制备方法，不同的是：
按照磁光晶体的分子式Tb3Sc0.8Ga1.2Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，Tb4O7、Sc2O3、Ga2O3和Al2O3，然后放入混料机充分混合40h，压制成饼状后于马弗炉中烧结36h。
晶体生长过程中拉速为：1mm/h，转速为18rpm；晶体生长完毕提脱后，降温速率为28℃/h。
对比例1：纯TGG晶体生长
如实施例1所述的制备方法，不同的是：
按照磁光晶体的分子式Tb3Ga5O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，然后将初始原料放入混料机充分混合40h，压制成饼状后于马弗炉中烧结48h，采用提拉法生长TGG晶体。
对比例2：TSAG晶体生长
按照磁光晶体的分子式Tb3Sc2Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，然后将初始原料放入混料机充分混合40h，压制成饼状后于马弗炉中烧结48h，采用提拉法生长TSAG晶体。
试验例1：
实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12的晶体照片如图1所示，对比例2的晶体照片如图2所示。
通过图1、图2可以看出，实施例1通过Ga3+掺入改性，对晶格结构进行调控制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体外形完整，无开裂，晶体质量高。因此，Ga3+掺杂可以调节离子间距，减少晶体内部应力，解决晶体开裂问题。
试验例2：
实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体与对比例2制备的Tb3Sc2Al3O12晶体锅内余料结晶性的对比如图3所示。
通过图3可知，实施例1通过Ga3+掺入改性，对晶格结构进行调控制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体具有更为优异的结晶性。制备过程中发现Ga掺杂晶体熔体流动性更加明显，有利于促进组分均匀分布，抑制晶体开裂。
试验例3：
实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体和实施例2制备的Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12的晶体及对比例2制备的纯TSAG晶体的粉末XRD谱图如图4所示。
通过图4对比可以看出本发明通过Ga3+掺入改性制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体和Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12晶体的X射线粉末衍射图谱与对比例2制备的Tb3Sc2Al3O12晶体标准衍射谱的谱峰基本对应，没有杂峰的出现。因此本发明制备的晶体具有良好的结晶性，不存在杂相。
试验例4：
实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体和实施例2制备的Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12的晶体及对比例1制备的纯TGG晶体的磁光性能如图5所示。
通过图5对比可以看出，本发明通过Ga3+掺入改性制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体和Tb3Sc1.6Ga0.4Al3O12晶体的Verdet常数明显优于对比例1的TGG晶体。因此本发明通过元素掺杂制备晶体具有优异的磁光性能，有广阔的应用前景。
试验例5：
实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体和实施例3制备的Tb3Sc1.2Ga0.8Al3O12的晶体及对比例1制备的纯TGG晶体的透过性能如图6所示。
通过图6对比可以看出，本发明通过Ga3+掺入改性制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体和Tb3Sc1.2Ga0.8Al3O12晶体的透过率与对比例1的TGG晶体的透过率基本一致，均高于80％。因此本发明通过元素掺杂制备晶体不改变晶体的透过率，具有优异的透过性能，有广阔的应用前景。
试验例6：
实施例1制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体与对比例1制备的纯TGG晶体的弱吸收光谱如图7所示。
通过图7对比可以看出，本发明通过Ga3+掺入改性制备的Tb3Sc1.9Ga0.1Al3O12晶体的吸收系数相比于对比例1的TGG晶体有较大幅度的降低，在高功率下应用时产生的负面热效应较少，有利于晶体的高功率应用。
综上，本发明通过Ga3+掺入改性，对晶格结构进行调控，增大熔体流动性，减少晶格畸变，缓解畸变应力，提高熔体流动性，并采用熔体提拉法生长晶体，最终制备的晶体完整无开裂，同时兼具具有良好的结晶性，不存在杂相，不改变晶体的透过率，具有优异的透过性能，并且提高了磁光性能，具有优异的磁光性能和良好的加工性能等优点。
因此本发明通过元素掺杂制备晶体具有优异的光学性能，有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种新型高功率磁光晶体，该磁光晶体的分子式为Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12，其中，0<x<1。
2.根据权利要求1所述的新型高功率磁光晶体，磁光晶体的分子式为Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12，其中，0<x<0.5，晶体属于立方晶系石榴石结构，空间群为Ia-3d。
3.权利要求1所述的新型高功率磁光晶体的生长方法，采用熔体提拉法，包括步骤如下：
(1)多晶料的制备
按照磁光晶体的分子式Tb3(Sc1-xGax)2Al3O12的化学计量比称取晶体生长所需原料，Tb4O7、Sc2O3、镓源和Al2O3；使用混料机混合24-48h，使原料充分混合均匀；使用液压机，压制成圆柱状紧密的块体，装入刚玉坩埚中，采用固相烧结法，在空气气氛下烧结，得到多晶料；
(2)晶体生长准备工作
a、将步骤(1)制备好的多晶料加入坩埚中，置于生长设备中，加热熔化，直至液面高度达到距离坩埚上沿3-5mm处；
b、将籽晶与籽晶杆装配在一起，并使籽晶旋于坩埚中央上方；
c、对生长设备抽真空，待稳定后充入保护气体至一个大气压；
(3)晶体生长
调节下种温度，将籽晶缓慢下入熔体，采用熔体提拉法生长晶体，待籽晶微熔收径至直径为1-2mm，进入自动控制程序进行放肩、等径、收尾阶段；待生长结束后，缓慢地将晶体提脱；降温到室温后取出晶体；将晶体在空气气氛下进行退火。
4.权利要求3所述的生长方法，其特征在于，步骤(1)中，所述镓源为Ga2O3，Tb4O7、Sc2O3、镓源和Al2O3纯度为99.99％，固相烧结法烧结温度为1300-1500℃，烧结时间为12-36h。
5.权利要求3所述的生长方法，其特征在于，步骤(2)中，晶体生长所使用的坩埚为铱金坩埚，步骤(2)a中，加热熔化在保护气体下进行，保护气体为氩气或氮气，籽晶为<111>方向的定向籽晶，充入的保护气体为氩气或氮气。
6.权利要求3所述的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，将原料加热至过热20℃并恒温1-2h以使熔体充分混合均匀。
7.权利要求3所述的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，晶体生长温度为1750～1950℃，生长速度为0.5～3.0mm/h。
8.权利要求3所述的生长方法，其特征在于，步骤(3)中，生长晶体时，提拉速度：0.4-3mm/h，转晶速度：8-30rpm，晶体生长至所需尺寸时，拉至脱离熔体表面1-15mm，随后阶段性退火至室温，降温速度为20-40℃/h，退火为于1200-1400℃恒定24-48h，然后以10-20℃/h的速率缓慢降至室温。
9.权利要求1所述的新型高功率磁光晶体作为磁光器件材料的应用，包括如下任一种：
用于法拉第隔离器；
用于磁光调制器件；
或，作为起到磁光开关功能的磁光晶体。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，a、新型高功率磁光晶体用于法拉第隔离器时，该晶体作为隔离器的核心组件，在与光线传播方向相同磁场的作用下，使入射光偏振方向发生偏转，只允许光从一个方向通过；
b、新型高功率磁光晶体用于磁光调制器件时，该晶体作为核心组件，在外加磁场的作用下，使光线的偏振面发生旋转，实现信号光束的调制；
c、新型高功率磁光晶体作为起到磁光开关功能的磁光晶体的应用时，通过改变外加磁场的大小，达到切换光路的效果。
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| CN202310334039.6A CN116575120A (zh) | 2023-03-31 | 2023-03-31 | 一种新型高功率磁光晶体及其生长方法与应用 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN104711677A (zh) * | 2015-02-13 | 2015-06-17 | 山东大学 | 一种自调q的石榴石晶体及其制作的自调q器件、自调q脉冲激光器 |
| CN108710223A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-10-26 | 华中科技大学 | 一种全光纤磁光器件 |
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2023
- 2023-03-31 CN CN202310334039.6A patent/CN116575120A/zh active Pending
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| CN108710223A (zh) * | 2018-05-17 | 2018-10-26 | 华中科技大学 | 一种全光纤磁光器件 |
| CN114875490A (zh) * | 2022-05-07 | 2022-08-09 | 山东大学 | 一种高铝铽铝镓石榴石磁光晶体及其制备方法与应用 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| KIYOSHI SHIMAMURA ET AL.: "Growth of {Tb3}[Sc2-xLux](Al3)O12 Single Crystals for Visible-Infrared Optical Isolators", 《CRYSTAL GROWTH & DESIGN》, 31 December 2010 (2010-12-31), pages 3466 - 3470 * |
| 郝元凯等: "高质量Tb3Sc2Al3O12磁光晶体的生长及性能", 《发光学报》, vol. 43, no. 7, 31 July 2022 (2022-07-31), pages 1 - 2 * |
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