DE2043690C - Verfahren zur Herstellung eines ferrimagnetischen Granates mit korrigierter Temperaturabhängigkeit des Faraday-Effektes - Google Patents

Description

der Gadoliniumgehalt .v derart gewählt wird, daß .v für steigende Betriebstemperaturen T etwa proportional zu diesen ansteigt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung der Kurve für die Abhängigkeit χ von T Tür wachsende Wellenlänge/. der zu beeinflussenden elektromagnetischen Strahlung abnimmt und die Werte χ für Temperaturen unterhalb etwa 320 K oberhalb der für kürzere Wellenlängen zu wählenden Werte χ liefen.

3. Verfahren nach Anspruch I. dadurch ^kennzeichnet, daß der Gadoliniumgehalt ν für eine Wellenlänge /. = 1,15 (im der zu beeinflussenden elektromagnetischen Strahlung Tür Betriebstemperaturen von 240 K; 273, 298. 308. 318, 320 bzw. 322" K für Temperaturbereiche von jeweils etwa t 15' K jeweils χ = C 0.65. 0,85. 0.90. 1,10, 1,25 bzw. 1,50 beträgt.

4. Verfahren nach Anspruc' 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gadoliniumgehalt γ für eine Wellenlänge/ = 6 μπι der zu beeinflussenden Strahlung für Betriebstemperaturen von 200, 260. 350 bzw. 410" K für Temperaturbereiche von jeweil etwa ±40" K jeweils χ = 0,5, LO. 1.5 bzw. 3.1 beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn .•dehnet, daß der Gadoliniumgehalt χ für eins bestimmte Betriebstemperatur Γ unter Berück sichtigunc de;, mit steigendem χ etwa linear ab nehmenden Maximalwertes der Faraday-Rotatior gewählt wird.

6. Gadoliniumsubstiiuierter Yttrium-Eisen-Granat, hergestellt nach einem Verfahren gemäfc Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5

7. Verwendung eines gadoliniumsubstituiertcn Yttrium-Eisen-Granates nach Anspruch 6 zur Beeinflussung einer elektromagnetischen Strahluni; im Wellenlängenbereich / = 1 wr\ bis >. - Ί im.

8. Verwendung eines gadoliniumsubstituiertcn Yttrium-Eisen-Granates nach Anspruch 7 fur die Herstellung temperaturkompensierter optischer nicht reziproker Elemente, wie Rotatoren. Isolatoren. Zirkulatoren. Modulatoren u. dgl.

9. Verwendung eines gadoliniumsubstituierten Yttrium-Lisen-Granates nach Anspruch 7 zusammen mit einem He-Ne-Laser, wobei der Granat im Magnetfeld eines zu messenden Leiiungsstromes angeordnet ist, 'Me L'chtstrahlung linear polarisiert ist und uen Grana'en durchtritt und die durch den Faraday-Effekt des Granaten bewirkte Drehung der Polarisationsebene der Lichtstrahlung gemessen wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ferrimagnetischen Granates mit korrigierter Temperaturabhängigkeit des Faraday-Eff^ktes, den mit diesem Verfahren hergestellten Granat sowie die Verwendung desselben.

Ferrimagnetische Granate haben große Bedeutung für die Herstellung von Mikrowellen-Bauteilen (vgl. z. B. Meinke/Gundlach, »Taschenbuch der Hochfrequenz-Technik«, 2. Auflage, S. 393), beispielsweise nicht reziproken Bauelementen. Zur Beeinflussung der elektromagnetischen Wellen wird dabei bevorzugt der den genannten Materialien eigene Faraday-Effekt verwendet, auf Grund dessen die Neigung der Polarisationsebene einer den Grana' durchlaufenden linear polarisierten elektromagnetischen ^WeIIe proportional zur Projektion Hes Vektors M der Magnetisierung des Granates auf die Strahlrichtungr* und. zur Wellenlänge/ der Welle in dem Granat gedreht wird. Der Drehwinkel bzw. die Rotation ist für bis zur Sättigung magnetisierte Ferrimagnetika gegeben durch die Formel:

60

°-—j\

wobei up eine von der Temperatur T des Granates und der Wellenlänge /. der elektromagnetischen Welle abhängige Materialkonstante ist. In einem weniger stark magnetisiertem Material ist der Drehwinkci kleiner, und die Zusammenhänge können durch Domänenbildung kompliziert werden.

Materialien der genannten Art haben neuerdings auch für den wichtigen Ultrarot-W^llenlängenbereich /= 1 bis 7 μ (HivNc-Lassr) Beachtung gefunden. Sie weisen jedoch eine starke Temperaturabhangigkeit nicht nur der Magnetisierung A/, sondern auch der Konstanten n, auf. Während es gelungen ist. Granate mit einem für eine bestimmte Arbeitstemperatur verschwindendem Temperaturkoeffizienten der Magnetisierung herzustellen (J. of the Am. Ceramic Society, 48 [1965]. S. 369 ff. und S. 516 ff), sind Granate, die für geeignete Arbeits- bzw. Betriebstemperaturen und Wellenlängen von 1 bis 7 μ die Bedingung diif.cir = 0 erfüllen, bis jetzt noch nicht bekanntgeworden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, durch welches ferrimagnetische Granate hergestellt werden können, die in der Umgebung einer in weiten Grenzen wählbaren Arbeitstemperatur keine Temperaturabhängigkeil der Größe «,. aufweisen, d. h. bei denen die Bedingung di/_r/d T = O erfüllt ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Gadoliniumsubslituiertcn Ytlrium-Eisen-Granat der Zusammensetzung

Y₃__tGd,Fc,O_I2
der Gadoliniumgchalt χ derart gewählt wird, daß χ

für steigende Betriebstemperaturen 7" etwa proportional zu diesen ansteigt.

Ein derart hergestellter Granat ist durchlässig Tür Wellenlängen A von etwa 1 bis 7 μ. Für wachsende Wellenlängen A soll nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung die Steigung der Kurve für die Abhängigkeit χ von T, nach welcher unter Vorgabe der Arbeitstemperatur der Gadoliniumgehalt χ zu wählen ist, abnehmen, wobei die Werte χ Tür Temperaturen unterhalb etwa 320 K. oberhalb der Tür ic kürzere Wellenlängen zu wählenden Werte χ liegen. Es ist zwar bekannt (Compi. Rd.. 252 [1961], S. 540 und 541) (J. appi. Phys. Lett, 8 [12], S. 338 und 339 [1966). daß Yttrium-Granate und seltene Erdmetail-Granate im Ultrarot transparent sind und den Faiad.iy-Fffekt zeigen, und es ist auch bekannt (J appi Phys. Lett., 8 [12], S. 338 und 339 [1966]). da'i (iadolinium-Eisen-Cjranate und Yttrium-Eisen-Yu r lum-C iallium-( iranate eine Abhängigkeit der Farad,,\ Halation \on der Temperatur b/w. vom Galliumgel·.üi /eigen, jedoch gibt dies alles keinen Hinweis da!auf. daß durch die Wahl des Gadoliniumgehaltes gciruß der erfindungsgemäßen Lehre bei einem gadolimunisubstituierten Yttrium-Eisen-Granat ein ferrini.i'jiietisches Granat hergestellt werden kann, dessen Faraday-Rotation >ⁿ der Umgebung einer in weiten CiN-ii/en wählbaren Arucitstemperatur keine Tempcraturabhangigkeil aufweist. Solche Granate sind .>ch. wie eingangs ausgeführt, für die Praxis von

grauer Bedeutung, weil bei der technischen Verwendung der Granate als Faraday-Rotatoren die Einhaltung konstanter Betriebstemperaturen selbstverständlich immer einen großen Aufwand erfordert, wenn nicht sogar ganz unmöglich ist.

Weiiere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den nachstehend an Hand von Figuren erläuterten Beispielen. Hierbei zeigt *

F i g. 1 die Abhängigkeit des für une Temperaturkompensation optimalen Gadoliniumgehaltes χ von der für den Granat vorgesehenen Arbeits- bzw. Betriebstemperatur T für die Wellenlängen A = 1,15 und /. = 6 μ,

F i g. 2 die Abhängigkeit der Größe a_r von der Arbeitstemperatur T mit dem Gadoliniumgehalt χ als Parameter für die Wellenlänge/. = 1,15 μ des He-Ne-Lasers.

F i ji. 3 die Abhängigkeit der Größe <t_F von der Arbeiistemperatur T mit dem Gadoliniumgehalt χ als Parameter für die Wellenlänge /. = 6 u und F i g. 4 die Abhängigkeit des Wertes

η,.,,,,,, iüvdn_F dT = 0

vom Gadoliniumgehalt x.

Aus Fig. 1 ist zu entnehmen, wie groß der Gadoliniumgehalt χ eines Mischsystems

Y₃^Gd₁Fe₅O₁₂

für eine vorgewählte Betriebstemperatur T des Gra- do nates bei einer gegebenen Wellenlänge A bei der Flerstcllung des Granates zu wählen ist, damit optimale Temperaturkompensation (du,./d T = 0) erreicht wird. Als Herstellungsverfahren kann dabei eine Methode wie z. B. in »Growth of Large Yttrium and Reare-Earth Aluminium and Iron Garnets« von Grodkiewicz, Dearborn and van Ui te rt in Crvstal Growth«, Proceedings of an International Conference on Crystal Growth, Boston, USA., edited by H. S. Peiser, erschienen in Pergamon Press 1967, angegeben, zur Anwendung kommen.

Wie ersichtlich, ist bei tiefen Temperaturen um 240^r K (% - 30 C) Tür die He-Ne-Laser-Wellenlänge A = 1,15 μ ein Yttrium-Eisen-Granat ohne Gadoiiniumgehalt vorteilhaft.

Für Zimmertemperatur (T « 295° K) ergibt der Gadoliniumgehalt χ = 0,85 einen besonders temperaturstabilen Granat. Zum langwelligen Ende des nutzbaren Spektralbereiches hin liegen die optimalen Werte x, unterhalb einer Betriebstemperatur von etwa 320° K, etwas oberhalb der Werte χ für kürzerwellige Strahlung. Im Bereich von 320° K (^ 50 C) sind die optimalen Werte χ für das ganze nutzbare Spektrum gleich.

In F i g. 2 ist die Tempi-uturabhängigkeit von n_r

für das Mischsystem

Y, ,Gd.Fe.O,,

fir mehrere Werte von χ für die nahe dem kurzwelligen Ende des nutzbaren Spektralbereichs, anwendungsmäßig besonders wichtige wellenlänge A = 1.15 μηι des He-Ne-Lasers dargestellt. Die Kurven wurden durch Messungen gewonnen.

Für χ = 0, also einen gadoliniumfreien Fisen-Granat. durchläuft «_f bei 240 K ein flaches Maximum ("fm,,, = 265 cm).

In der Umgebung dieses Maximums ändert sich a_t über einen Temperaturbereich von etwa 100 um weniger als 1%. Mit steigendem Gadoliniumgehalt wird α,, und damit die Faraday-Rotation (-> zwar kleiner, aber das Maximum verschiebt sich zu höheren Temperaturen. Bei reinem Gd₃Fe₅O₁₂ (x = 3) liegt es oberhalb von 370 K.

Bei der ferrimagnetischen Kompensationstemperatur T_K (Material ist antiferromagnetisch, Λ/ = 0) tritt ein Sprung der Faraday-Rotation auf. Für χ = 3 liegi T_k zwar nahe der Zimmertemperatur. Jedoch sinkt T_k mit abnehmendem χ sehr schnell und stört in den praktisch interessierenden Fällen nicht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Kompensation des Temperaturkoeffizienten von <i_h ist im gesamten nutzbaren Spektralbereich anwendbar, wobei sich, wie erwähnt, die optimalen x-Werte mit der Wellenlänge geringfügig ändern. Ein Verlauf «_f(T) Tür A = 6 μ ist in F i g. 3 dargestellt. Er wurde durch Rechnung aus der für Wellenlängen A^ 5 μ gültigen Formel

</_f = 0,211 · π · M₅ Gauß Grad cm '

bestimmt (G. S. Krinchik and M. V. Chetkin. Soviet. Phys. J. L. T. P. 14, 485 [1962]) mit η = Brechungsindex, /VZ₅ = Sättigungsmagnetisierung.

In F i g. 4 ist die Abhängigkeit des Maximalwertes «,-,„„(furdii,. d f = 0) vom Gadoliniumgehalt χ für die Wellenlängen /. = 1,15 μ und /. = 6 μ dargestellt. Auf der Ordinate sind links Werte für /. = 1,15 α und rechts für /. = 6 μ aufgetragen.

Wie ersichtlich und auch bereits aus F i g. 2 und 3 entnehmbar, nimmt der Wert von u_Fl;_iax mit wachsendem χ ab. Da, wie oben dargestellt, die Änderung von u_Fmax im Bereich des Maximums über einen großen Temperaturbereich (z.B. ±50°C) gering ist, kann es oftmals zweckmäßig sein, für eine gegebene Betriebstemperatur den Gadoliniumgehalt χ so' zu wählen, daß sich zwar ein endliches, geringes da_F/dT

ergibt, dafür aber der die Größe der Faraday-Rotation Θ bestimmende Wert a_F ausreichend groß ist. Der erfindungsgemäß temperaturstabilisierte Granat kann mit Vorteil in Analogie zu den in der Mikrowellentechnik gebräuchlichen Bauelementen, die auf dem Faraday-Effekt beruhen, für Laser-Wellenlängen verwendet werden, ist also insoweit von großer Bedeutung für die Nachrichtenübermittlung bei optischen Frequenzen. Er kann also zum Aufbau von Rotatoren, Isolatoren, Zirkulatoren, Modulatoren u. dgl. dienen. Diese beruhen zum Teil auf der Nichtreziprozität des Faraday-Effektes, zum Teil auf der Möglichkeit, die Rotation durch Verändern der Produktion der Magnetisierung auf die Strahlrichtung zu verändern. Anwendungen der beschriebenen Art sind z. B. im J. Appl. Phys., 39 (1968),

S. 922, oder in Optics and Spectroscopy, 26 (1969). S. 272, angegeben.

Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemüßen temperaturstabilisierten Granates ergibt sich auch bei Anordnungen zur potentialfreien Messung des Stromes von Hochspannungs- bzw. Höchstspannungsleitungen, wie solche z. B. aus der französischen Patentschrift 1 439 260 oder IEEE J. of Quantum Electronics QE-2, 8 (1966), S. 255., bekannt sind. Bei

ίο der aus der letztgenannten Literaturstellc bekannten Anordnung wird ein He-Ne-Laseir und Flintglas als Faraday-Rotator verwendet. Da die Faraday-Rotation bei dem beschriebenen Granat um ein Vielfaches größer ist als bei Flintglas, ist ein Ersatz des Flintglascs durch den Granat also offensichtlich von erheblichem Vorteil.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines ferrimagnetischen Granates mit korrigierter Temperaturabhängigkeit des Faraday-Effc ktes, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem gadoliniumsubstituierten Yttrium-Eisen-Granat der Zusammensetzung

Y₃^Gd_xFe₅O₁₂ ,o