DE102010021203B4 - Terbiumtitanat zur Verwendung als Faraday-Rotator - Faraday-Rotator und optischer Isolator - Google Patents

Terbiumtitanat zur Verwendung als Faraday-Rotator - Faraday-Rotator und optischer Isolator Download PDF

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Abstract

Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium die Zusammensetzung Tb2Ti2O7(Terbiumtitanat) hat

Description

  • Als Faraday-Effekt bezeichnet man die Drehung der Polarisationsrichtung einer elektromagnetischen Welle in einem dielektrischen Medium unter Einfluss eines magnetischen Feldes. Optische Elemente, die den Faraday-Effekt zur Änderung der Polarisationsrichtung von Licht nutzen, werden als Faraday-Rotatoren bezeichnet.
  • Faraday-Rotatoren finden z.B. in optischen Dioden oder sogenannten optischen Isolatoren Einsatz, indem ein transparentes dielektrisches Medium mit hoher Verdet-Konstante in ein zeitlich konstantes homogenes magnetisches Feld gebracht wird. In dieses Medium einfallendes polarisiertes Licht erfährt eine spezifische Drehung der Polarisationsebene, die proportional der Länge des Mediums, seiner Verdet-Konstante und der angelegten magnetischen Flusdichte ist. Durch geeignete Anordnung des Faraday-Materials zwischen optischen Polarisatoren kann erreicht werden, dass nur Licht mit definierter Polarisation den optischen Isolator passieren kann und damit z.B. Rückreflexionen in Lasersystemen verhindert werden können. Zur Zeit werden in Faraday-Rotatoren Materialien wie z.B. Terbium-Gallium-Granat (TGG, Tb3Ga5O12), Terbium-haltige Gläser oder Bismut-Eisen-Granate mit je nach Anwendung variabler Zusammensetzung verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein für diese Verwendung neuartiges Material, das durch seine hohe Verdet-Konstante als Faraday-Rotator genutzt werden kann. Es hat eine höhere Verdet-Konstante als vergleichbare Materialien wie z.B. TGG und Terbium-Gläser und eine hohe Transparenz von 500 nm bis ca 1500 nm im IR-Bereich. Die chemische Zusammensetzung des neuartigen Materials ist Tb2Ti2O7 (Terbiumtitanat). Tb2Ti2O7 kristallisiert kubisch in der Pyrochlorstruktur.
  • Tb2Ti2O7 kann nach mehreren bekannten Methoden hergestellt werden:
    1. 1. Zunächst bietet sich das Czochralski-Verfahren zur Züchtung von Einkristallen aus einer Hochtemperaturschmelze mit einer der Kristallstöchiometrie ähnlichen Schmelzzusammensetzung an. Hierbei wird z.B. eine in einem Tiegel befindliche Schmelze aus Terbiumoxid und Titanoxid der Zusammensetzung Tb2Ti2O7 bei einer Temperatur von ca. 1900 °C von oben mit einem Tb2Ti2O7 -Impfkristall berührt und nach Einstellung des thermischen Gleichgewichts ein Tb2Ti2O7-Kristall mit z.B. 1 mm/h nach oben aus der Schmelze gezogen.
    2. 2. Ein weiteres Verfahren zur Züchtung von Tb2Ti2O7 ist die Zonenschmelzmethode (J.S. Gardner et al., J. Crystal Growth 191 (1998) 740) in der polykristallines gepresstes Stabmaterial zuerst bei 1350 °C gesintert wird und danach durch Verschieben eines aufgeschmolzenen Bereichs durch den Stab zur Kristallbildung gebracht wird.
    3. 3. Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Tb2Ti2O7 -Kristallen verwendet sogenannte Flussmittel - z.B. B2O3, Molybdate oder Bleioxide - als Hochtemperaturlösungsmittel (Züchtungstemperatur 900 °C bis 1100 °C), in dem Terbiumoxid und Titanoxid im geeigneten Verhältnis aufgelöst und aus dieser Lösung nach Animpfen mit einem Impfkristall das Tb2Ti2O7 langsam nach oben herausgezogen wird. Aus Hochtemperaturlösungen sind auch Epitaxieverfahren, d.h. das Wachstum von dünnen Schichten aus Terbiumtitanat auf geeigneten kristallinen Unterlagen (Substratmaterialien), möglich
    4. 4. Andere Kristallzüchtungsverfahren, z.B. gerichtete Erstarrung nach dem Heat-Exchanger-Verfahren (HEM), Bridgman- oder Stockbarger-Verfahren, die geeignet sind, transparente Festkörper von Tb2Ti2O7 herzustellen.
    5. 5. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von geeignetem Material für Faraday-Rotatoren aus Tb2Ti2O7 ist die Synthese transparenter Festkörper aus Tb2Ti2O7 nach einem keramischen Verfahren. Hierbei werden durch Fällen aus einer Lösung oder durch Mahlen zunächst sogenannte Nanopulver hergestellt und anschließend durch Formgebung, Verdichten und Sintern zu einem hochtransparenten polykristallinen Körper geformt, der für die Anwendung als Faraday-Rotator vergleichbare Eigenschaften hat wie die nach den vorgenannten Verfahren hergestellten Kristalle.
  • Aus den nach den beschriebenen Verfahren hergestellten ein- oder polykristallinen Festkörpern werden anschließend durch mechanische Bearbeitung Bauelemente in den benötigten Dimensionen hergestellt, an den für den Lichteintritt und Austritt vorgesehenen Seiten optisch poliert und in einer passenden Halterung in ein durch Permanentmagnete oder Elektromagnete erzeugtes Magnetfeld gebracht.

Claims (9)

  1. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium die Zusammensetzung Tb2Ti2O7 (Terbiumtitanat) hat
  2. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium die Zusammensetzung (Tb2-x Ax)Ti2O7 hat mit 0 ≤ x ≤ 2, wobei für A Elemente der Lanthanidenreihe wie La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu sowie Y oder Mischungen dieser eingesetzt werden können
  3. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 als Einkristall nach einem Kristallzüchtungsverfahren aus einer Schmelze gezüchtet wird
  4. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 als Einkristall nach einem Kristallzüchtungsverfahren aus einer Schmelze mit der Zusammensetzung AzTi2O7 mit 1 ≤ z ≤ 3 gezüchtet wird, wobei für A Elemente der Lanthaniden wie La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu sowie Y oder Mischungen dieser eingesetzt werden können
  5. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 als Einkristall nach einem Flussmittelverfahren hergestellt wird
  6. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 mit einem Epitaxieverfahren als Schicht auf einem Substrat aufgewachsen wird
  7. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 nach einem keramischen Verfahren hergestellt wird
  8. Faraday-Rotator, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch aktive Medium gemäß den Ansprüchen 1 bis 2 als Glas hergestellt wird
  9. Optischer Isolator, dadurch gekennzeichnet, dass ein Faraday-Rotator entsprechend den Ansprüchen 1 bis 8 eingesetzt wird
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